JPH0313767A - 製氷方法および製氷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、伝熱媒体としての非水溶性液体と蓄熱媒体と
なる水溶液との直接接触により、製氷する製氷方法およ
び該製氷方法に使用される製氷装置に関するものである
。

（従来の技術） 近年、工業プラントやビル等における比較的大規模な空
調システムには蓄熱空調システムが利用され、冷房負荷
のピーク時における電力需要の軽減並びにオフピーク時
における電力需要の拡大を図るようにしている。

この蓄熱空調システムの蓄熱方式には、顕熱を利用した
水蓄熱方式と、潜熱を利用した氷蓄熱方式とがあるが、
前者の水蓄熱方式では蓄熱槽を大きくしなければ、有効
な効果を発揮させることができないという欠点があり、
また、その安全性および経済性の面から、氷蓄熱方式の
需要が高まりつつある。

この氷蓄熱方式を採用した空調システムのこれまでの一
般的なものとしては、スタティック方式と呼ばれるもの
であって、ブライン等の水溶液が収容された蓄熱槽内に
冷凍回路における冷媒蒸発用の冷却管が導入配設され、
該冷却管内で蒸発される冷媒が蓄熱槽内の水溶液と熱交
換することで該水溶液を冷却して該冷却管の表面で氷化
させ、該氷を順次成長させて上記蓄熱槽内に蓄熱媒体と
して蓄熱するものである。

しかし、この方式では冷却管に付着した氷が熱抵抗とな
り、氷の厚さが厚（なるに従って伝熱性能が低下するこ
とになり、該システムのＣｏＰが低下するという欠点が
あった。また、冷却管上に生成された氷は氷塊となって
いるために氷の放熱時において迅速且つ均一な融解が行
われ難く、負荷変動に追従した放熱が得られないといっ
た課題をも有しているものであった。

そこで、これらの問題を解決するための従来技術として
、米国特許２，９９６，８９４号に示されるような製氷
方式がある。この方式のものは製氷容器中に氷よりも比
重量の小さい油等の非水溶性液体を貯留しておき、該非
水溶性液体中に冷却管を浸漬させて、該冷却管内を流通
する冷媒との熱交換によって非水溶性液体を冷却し、そ
の冷却された非水溶性液体を水に直接接触させて熱交換
を行わせ、該水を冷却、氷化させて、非水溶性液体層と
水層との境界部に氷層を形成させると共に、上記境界部
に近接して回転翼を設けておき、該回転翼の回転に伴う
撹拌により氷層の氷が氷塊になることを抑制して小片或
いはスラリー状の氷を生成させるものである。

（発明が解決しようとする課題） しかし、上述したような方式のものにあっては、非水溶
性液体が凝固温度近傍まで冷却された場合には、その熱
伝導率が低下すると共に、粘性が上昇するために、冷却
管内を流通する冷媒との間での熱交換が迅速且つ均一に
行われ難くなり、製氷能率が低下するという問題があっ
た。また、冷却管に水が接触した場合、該水は冷却管上
に付着した状態で氷化してしまい、この氷が非水溶性液
体を冷却する上での伝熱抵抗になるという課題も有して
いた。更には、非水溶性液体、水および氷の三相分離が
これらの比重差に依存しているために、この分離に時間
がかかり、所望の蓄熱を得難いという問題をも有してい
る。また、氷層が非水溶性液体層と水層との境界部に形
成されるために、該氷層が非水溶性液体層と水層とを隔
離することになり、非水溶性液体が水を冷却する際の伝
熱抵抗として働き、この氷層の成長と共に該伝熱抵抗は
大きくなるものであって、該製氷装置の製氷能力の低下
に繋るばかりでなく、氷層が厚い場合には油による水の
冷却が行えなくなる場合もあり、製永劫率が悪いという
問題があった。

そこで、本発明は、冷却板上に非水溶性液体を流動させ
ながら冷却し、該非水溶性液体の液面に水溶液を供給す
ることで常に非水溶性液体と直接接触させて過冷却状態
まで冷却した後、非水溶性液体と水溶液を分離して、水
溶液の過冷却を解消させて氷化させることにより冷却効
率の向上が図れる製氷方法および製氷装置を得ることを
目的としている。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を解決するために、本発明は以下に述べるよ
うな手段を講じたものである。

先ず、請求項（１）に係る発明は、蓄熱槽（２）内に貯
留する氷（Ｉ）を生成する製氷方法であって、冷却手段
（３）の冷却板（７３）表面に非水溶性液体（Ｏ）を供
給して該非水溶性液体（Ｏ）を薄膜状に形成しながら上
記冷却板（７３）の縁部（７４）に向つて流動させると
同時に、該非水溶性液体（Ｏ）を冷却手段（３）によっ
て冷却する。

そして、上記非水溶性液体（Ｏ）の薄膜上に水溶液（Ｗ
）を滴状に供給し、この滴状の水溶液（Ｗ）を非水溶性
液体（Ｏ）の液面上で移動させて非水溶性液体（Ｏ）を
介して過冷却状態まで冷却する。

そして、非水溶性液体（Ｏ）を冷却板（７３）縁部（７
４）から案内板（７５）が湾曲案内すると共に、水溶液
（Ｗ）を非水溶性液体（Ｏ）より冷却板（７３）縁部（
７４）で分離して蓄熱槽（２）に落下させ、過冷却を解
消して氷（Ｉ）を生成する。

また、請求項（２）に係る発明は、水溶液（Ｗ）より生
成される氷（１）を貯留する蓄熱槽（２）と、非水溶性
液体（Ｏ）を介して水溶液（Ｗ）を冷却する冷却手段（
３）と、該冷却手段（３）の表面に非水溶性液体（Ｏ）
が薄膜状を形成するように該非水溶性液体（Ｏ）を供給
する非水溶性液体供給手段（４）と、上記冷却手段（３
）の表面において非水溶性液体（Ｏ）の薄膜上に水溶液
（Ｗ）を滴状に供給する水溶液供給手段（５）とを備え
た製氷装置を対象としている。そして、上記冷却手段（
３）は、非水溶性液体（Ｏ）が縁部（７４）に向って薄
膜状で流動すると共に、滴状の水溶液（Ｗ）が非水溶性
液体（Ｏ）の液面を移動して過冷却状態まで該水溶液（
Ｗ）を冷却する冷却板（７３）と、該冷却板（７３）の
縁部（７４）に連続形成され、非水溶性液体（Ｏ）を冷
却板（７３）縁部（７４）から湾曲案内すると共に、水
溶液（Ｗ）を非水溶性液体（Ｏ）より冷却板（７３）縁
部（７４）で分離して上記蓄熱槽（２）に落下させる案
内板（７５）とを備えている 更に、請求項（３）に係る発明は、上記請求項（２）記
載の製氷装置において、第４図に示すように、冷却板（
７３）は扇状に形成され、案内板（７５）は、冷却板（
７３）の円弧状外縁部より扇状の中心に向って斜め下方
に延設される一方、蓄熱槽（２）が冷却板（７３）の円
弧状外縁部（７４）の下方に配設されている。

（作用） 上記各請求項に係る発明の構成による作用は、以下に述
べるとおりである。

請求項（１）お゛よび（２）に係る発明においては、先
ず、冷却手段（３）の冷却板（７３）表面に非水溶性液
体供給手段（４）が非水溶性液体（Ｏ）を供給して該冷
却板（７３）表面上に該非水溶性液体（Ｏ）の薄膜状を
形成し、且つ該非水溶性液体（Ｏ）を冷却手段（３）に
よって冷却しながら非水溶性液体（Ｏ）が該冷却板（７
３）の縁部（７４）に向って流動する。次に、この薄膜
状の非水溶性液体（Ｏ）の液面上に水溶液供給手段（５
）が水溶液（Ｗ）を滴状に供給し、この滴状の水溶液（
Ｗ）が非水溶性液体（Ｏ）の液面上を移動して非水溶性
液体（Ｏ）を介して過冷却状態まで冷却される。そして
、非水溶性液体（Ｏ）を冷却板（７３）から案内板（７
５）が湾曲案内すると共に、水溶液（Ｗ）を非水溶性液
体（Ｏ）より冷却板（７３）縁部（７４）で分離して蓄
熱槽（２）に落下させて過冷却を解消して氷化させる。

これにより、非水溶性液体（Ｏ）と水溶液（Ｗ）とは常
に直接接触されて熱交換されていることになるため、効
率的な過冷却作用が得られ、製氷能力が向上される。ま
た、冷却手段（３）の冷却板（７３）は非水溶性液体（
Ｏ）で常に覆われているために、水溶液（Ｗ）が冷却板
（７３）に接触して該冷却板（７３）表面で氷化するこ
とはなく装置の信頼性が向上すると共に、連続製氷が可
能となる。

また、請求項（３）に係る発明においては、冷却板（７
３）を扇状にすると共に、蓄熱槽（２）を冷却板（７３
）の縁部（７４）の下方に配設して製氷しており、装置
全体の小型化が図られる。

（第１実施例） 次に、本発明における第１実施例について第１図および
第２図を用いて説明する。

第１図に示すように、本製氷装置（１）は蓄熱槽（２）
、冷却手段（３）、非水溶性液体供給手段（４）および
水溶液供給手段（５）を主要部として構成されている。

以下、各部材について説明する。

蓄熱槽（２）は本装置により生成された蓄熱媒体として
の氷（１）が蓄えられる所謂蓄冷熱部分であって、上部
が開放された箱体で構成されている。また、その外壁に
は貯留されている氷（１）が外部からの熱の影響を受け
て融解されることを防止する目的で断熱材（図示省略）
が覆設されていることが望ましい。そして、該蓄熱槽（
２）の内部には製氷用の水溶液（Ｗ）が貯留されている
。

また、製氷運転時には水溶液（Ｗ）の上層部に氷層が形
成されることになる。更に、該蓄熱槽（２）には冷房負
荷（図示省略）が接続されており、蓄冷熱利用冷房運転
時には貯留されている氷（Ｉ）の冷熱が冷房負荷の冷却
に寄与されることになる。

冷却手段（３）は製氷用の水溶液（Ｗ）を過冷却状態ま
で冷却するものであって、冷媒回路（６）と冷却台（７
）とから構成されている。

冷媒回路（６）は、圧縮機（６１）、凝縮器（６２）、
膨張弁（６３）、蒸発器（６４）が冷媒配管（６５）に
よって直列に接続されて構成されており、冷媒の蒸発に
よって冷却作用を成す上記蒸発器（６４）は冷却台（７
）内の上部に配設されている。

冷却台（７）は上部に位置する逆円錐台部（７１）と、
該逆円錐台部（７１）の下方に連続形成され、上記逆円
錐台部（７１）の上面より小径の円柱状の支柱部（７２
）とから形成されている。

そして、上記逆円錐台部分（７１）の円形の上部は、該
上面の形状に合致し、且つ上記蒸発器（６４）が埋設さ
れた冷却板（７３）に形成されている。また、この逆円
錐台部（７１）は上記冷却板（７３）における周縁（７
４）から所定角度をもって支柱部分（７２）に向かって
下方に傾斜する案内板としての傾斜面（７５）が形成さ
れている。

非水溶性液体供給手段（４）は、非水溶性液体槽（４１
）、給油管（４２）および該給油管（４２）に介設され
た循環ポンプ（４３）とから構成されている。そして、
非水溶性液体槽（４１）は上記冷却台（７）の下方で、
該冷却台（７）と−体的に形成されている。給油管（４
２）は、その上流端（４４）が上記非水溶性液体槽（４
１）の側面に接続され、一方、下流端（４５）には噴射
ノズル（４６）が接続されている。そして、該噴射ノズ
ル（４６）は、その先端が上記冷却板（７３）の略中心
で該冷却板（７３）の上面と小冊隔を存するように配設
されている。

水溶液供給手段（５）は、給水管（５１）および該給水
管（５１）に介設された循環ポンプ（５２）とから構成
され、給水管（５１）の上流端（５３）は上記蓄熱槽（
２）の側面下部に接続され、一方、下流端（５４）は第
２図に示すように複数本（本例のものは３本）に分岐さ
れており、上記噴射ノズル（４６）周辺で同心円上で、
且つ噴射ノズル（４６）の先端よりやや上方で開口する
ように配設されている。

次に、非水溶性液体供給手段（４）内で循環される非水
溶性液体（Ｏ）について説明する。該非水溶性液体（Ｏ
）は比重が１より大きい、即ち水（Ｗ）よりも比重量の
大きいものが採用され、非水溶性であると共に、不揮撥
性を有するものである。具体的にはフッ素系のオイルや
シリコンオイル等が利用されている。また、この非水溶
性液体（Ｏ）は冷却台（７）を流動する際に、冷却板（
７３）の上面から傾斜面（７５）に沿って流下可能とな
るようにその粘性が高いものが望ましい。

次に、上記構成による製氷装置の動作と共に請求項（１
）に係る製氷方法の構成について説明する。

先ず、冷却手段（３）の冷媒回路（６）を作動させて、
蒸発器（６４）で冷媒を蒸発させることで冷却台（７）
の冷却板（７３）を冷却すると共に、循環ポンプ（４３
）を駆動させて非水溶性液体槽（４１）内の非水溶性液
体（Ｏ）を給油管（４２）を経て噴射ノズル（４６）か
ら冷却板（７３）に向って供給する。この供給に関し、
その供給量は上記冷却板（７３）の上面全体が、放射状
に流動する非水溶性液体（Ｏ）の薄膜によって覆われる
ように設定される。これにより、冷却板（７３）の上面
を流動される非水溶性液体（Ｏ）は冷却板（７３）を介
して蒸発器（６４）内で蒸発される冷媒との間で熱交換
を行うことになり、氷点下まで冷却される。

次に、水溶液供給手段（５）の循環ポンプ（５２）を駆
動させることにより、蓄熱槽（２）内に貯留されている
水溶液（Ｗ）を給水管（５１）によって上記非水溶性液
体（Ｏ）の表面に滴状にして落下供給する。これにより
、滴状の水溶液（Ｗ）は非水溶性液体（Ｏ）と共に放射
状に周縁（７４）に向って流動しつつ該非水溶性液体（
Ｏ）との間で熱交換されることで過冷却状態まで冷却さ
れる。

この冷却の際、液体同士の接触による熱伝達であると共
に、水溶液は滴状であることで、非水溶性６液体から与
えられる冷熱が大きくできるため、水溶液は速やかに過
冷却状態まで達する。

そして、流動する各液体（Ｏ）、（Ｗ）が冷却板（７３
）の周縁（７４）に達すると、粘性の高い非水溶性液体
（Ｏ）は周縁から上記傾斜面（７５）に沿って支柱部（
７２）に向って流下し、支柱部分（７２）の表面を経て
非水溶性液体槽（４１）へ戻され、再び循環ポンプ（４
３）によって給油管（４２）内を流通する。このように
して非水溶性液体（Ｏ）は循環される。一方、水溶液（
Ｗ）は粘性が低く、且つ非水溶性液体（Ｏ）と融合する
ことがないために、冷却板（７３）の周縁（７４）に達
したときの速度を初速度として該周縁（７４）から投げ
出されて放物落下運動を行いながら蓄熱槽（２）内に落
下される。この落下により、水溶液（Ｗ）はその過冷却
状態が解消されて氷化され、蓄熱槽（２）内に蓄熱媒体
として貯留される。この貯留された氷（１）は、蓄熱槽
（２）の上層部に浮上されており、また、給水管（５１
）は蓄熱槽（２）の側面下部に接続されていることで氷
（１）が給水管（５１）に導かれ、循環ポンプ（５２）
の駆動に支障を来たすようなことはない。

このように、本製氷装置並びに、本製氷方法にあっては
、蓄熱媒体となる水（Ｗ）と、伝熱媒体である非水溶性
液体（Ｏ）との直接接触による製氷を行うために、効果
的な伝熱による製氷動作が行われ、また、両者の分離も
確実になされるものである。また、製氷容器（２）内で
生成された氷Ｃ１）は小片であるために、放熱時（氷融
解時）には冷房負荷の変動に迅速に追従可能なものであ
る。

尚、本例では冷却板（７３）の上面を水平面で形成した
が、外方に向って下方に傾斜する傾斜面で形成し、両液
体の流速を上昇させて水溶液（Ｗ）の投げ出しを確実に
するように構成しても良い。

（第２実施例） 次に、本発明における、第２実施例について第３図およ
び第４図を用いて説明する。本例のものは冷却台（７）
の変形例である。

上述した第１実施例の冷却台（７）は、その冷却板（７
３）が円形であったのに対し、本例の冷却台は、上面が
扇形のものを採用している。そして、非水溶性液体供給
手段（４）の噴射ノズル（４６）は扇の円弧中心部分に
対応した位置に配設され、水溶液供給手段（５）の給水
管（５１）下流端（５４）は上記噴射ノズル（４６）に
近接し、冷却板（７３）の周縁側に配設されている。

その他の各手段は上述した第１実施例のものと略同様で
ある。

そして、この装置の作動時において流動する非水溶性液
体（Ｏ）および水溶液（Ｗ）は一方向（第３図の右方向
）のみであり、蓄熱槽（２）は冷却板（７３）の円弧状
の周縁（７４）の下方のみに配設しておけば良い。

従って、蓄熱槽（２）を支柱部（７２）と同じ高さに配
設でき、装置の簡略化や形状の縮小が図れるものである
。

尚、上述した各実施例における冷却手段（３）の冷却台
（７）は逆円錐台部（７１）と支柱部（７２）とで構成
したが、本発明はこの構成に限るものではなく、支柱部
（７２）を設けず、逆円錐台部（７１）の傾斜面（７５
）の下端から非水溶性液体（Ｏ）を非水溶性液体槽（４
１）へ落下させるように構成しても良い。また、水溶液
（Ｗ）の過冷却解消の手段として、蓄熱槽（２）への落
下に加えて、蓄熱槽（２）内に貯留されている水溶液（
Ｗ）の水面に振動を与えて波立たせたり、蓄熱槽（２）
内に水溶液（Ｗ）の噴流やエアを吹込むことで衝撃を与
えて過冷却を解消させるといった特別な過冷却解消手段
を設けて氷化を確実にするように構成しても良い。

（発明の効果） 以上の如く、本発明によれば、以下に述べるような効果
が発揮されるものである。

請求項（１）に係る発明においては、非水溶性液体と水
溶液とは常に直接接触によって熱交換が行われているた
めに、従来のように非水溶性液体と水溶液との間に氷が
存在し、その氷が伝熱抵抗となるようなことはなく、効
率的な過冷却作用が得られ、製氷能率の向上が図れる。

一方、請求項（２）に係る発明においては、冷却手段の
冷却板は非水溶性液体で常に覆われているために、水溶
液が冷却板表面で氷化することはなく、連続製氷が可能
であって、装置の信頼性の向上が図れ、また、蓄熱槽内
には非水溶性液体が流入しないために、従来のような三
層分離をするための時間が掛かるようなこともなく、迅
速な製氷動作を得ることができる。

また、請求項（３）に係る発明においては、蓄熱槽が冷
却板の縁部に近接した下方に配設されていることで装置
の簡略化および縮小化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１実施例を示し、第１
図は製氷装置の正面図、第２図はその平面図である。第
３図および第４図は本発明の第２実施例を示し、第３図
は第１図相当図、第４図は第２図相当図である。 （２）・・・蓄熱槽 （３）・・・冷却手段 （４）・・・非水溶性液体供給手段 （５）・・・水溶液供給手段 （７３）・・・冷却板 （７４）・・・周縁（縁部） （７５）・・・傾斜面（案内板） （Ｗ）・・・水溶液 （Ｉ）・・・氷 （Ｏ）・・・非水溶性液体 ３５

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）蓄熱槽（２）内に貯留する氷（１）を生成する製
   氷方法であって、冷却手段（３）の冷却板（７３）表面
   に非水溶性液体（Ｏ）を供給して該非水溶性液体（Ｏ）
   を薄膜状に形成しながら上記冷却板（７３）の縁部（７
   ４）に向って流動させると同時に、該非水溶性液体（Ｏ
   ）を冷却手段（３）によって冷却する一方、上記非水溶
   性液体（Ｏ）の薄膜上に水溶液（Ｗ）を滴状に供給し、
   この滴状の水溶液（Ｗ）を非水溶性液体（Ｏ）の液面上
   で移動させて非水溶性液体（Ｏ）を介して過冷却状態ま
   で冷却し、非水溶性液体（Ｏ）を冷却板（７３）縁部（
   ７４）から案内板（７５）が湾曲案内すると共に、水溶
   液（Ｗ）を非水溶性液体（Ｏ）より冷却板（７３）縁部
   （７４）で分離して蓄熱槽（２）に落下させ、過冷却を
   解消して氷（ I ）を生成することを特徴とする製氷方
   法。
2. （２）水溶液（Ｗ）より生成される氷（ I ）を貯留す
   る蓄熱槽（２）と、非水溶性液体（Ｏ）を介して水溶液
   （Ｗ）を冷却する冷却手段（３）と、該冷却手段（３）
   の表面に非水溶性液体（Ｏ）が薄膜状を形成するように
   該非水溶性液体（Ｏ）を供給する非水溶性液体供給手段
   （４）と、上記冷却手段（３）の表面において非水溶性
   液体（Ｏ）の薄膜上に水溶液（Ｗ）を滴状に供給する水
   溶液供給手段（５）とを備えた製氷装置であって、 上記冷却手段（３）は、非水溶性液体（Ｏ）が縁部（７
   ４）に向って薄膜状で流動すると共に、滴状の水溶液（
   Ｗ）が非水溶性液体（Ｏ）の液面を移動して過冷却状態
   まで該水溶液（Ｗ）を冷却する冷却板（７３）と、該冷
   却板（７３）の縁部（７４）に連続形成され、非水溶性
   液体（Ｏ）を冷却板（７３）縁部（７４）から湾曲案内
   すると共に、水溶液（Ｗ）を非水溶性液体（Ｏ）より冷
   却板（７３）縁部（７４）で分離して上記蓄熱槽（２）
   に落下させる案内板（７５）とを備えていることを特徴
   とする製氷装置。
3. （３）上記請求項（２）記載の製氷装置において、冷却
   板（７３）は扇状に形成され、案内板（７５）は冷却板
   （７３）の円弧状外縁部より扇状の中心に向って斜め下
   方に延設される一方、蓄熱槽（２）は冷却板（７３）の
   円弧状外縁部（７４）の下方に配設されていることを特
   徴とする製氷装置。