JPH04174229A - 氷蓄熱装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、空調等に使用される氷蓄熱装置に関する。

（従来の技術） 氷蓄熱を有する空気調和システムは、昼間に集中する冷
房用電力需要を低減するために、安価な深夜電力を利用
でき、かつ熱源機器容量の半減による契約電力を低減で
きるので、ビル空調や、地域冷暖房システム等の比較的
大容量の空調システムへの適用が期待されている。

この氷蓄熱装置は、その氷の製造方法において、間接熱
交換方式と直接熱交換方式に大別される。

間接熱交換方式とは、製氷用伝熱管（銅チューブ、ポリ
エチレンチューブ等）を用いる方法であり、伝熱管の内
側又は外側に低温の冷媒（フロン等）又は不凍液（通称
ブライン）を流し、伝熱管の反対の壁面に氷を生成、着
氷する方法である。

この伝熱管の管外・管内壁面に氷を生成着氷する方式は
、壁面に生成される氷の厚みが徐々に増して行くと、氷
自身の熱伝導率が非常に小さい為、被冷却液である水か
ら、冷却媒体（フロン、ブライン）への移動熱量が氷の
厚みに応じて小さくなり、氷の生長速度が遅くなる。こ
の氷の生長速度を増すには、冷却媒体の温度を下げる必
要があるが、冷却媒体の温度を下げると、冷凍機め成績
係数が低下するという難点がある。

また、水槽内に伝熱管を配し、水の中に浸漬する方式で
は、氷の充填率（通称ＩＰＦ；ＩｃＥＰａｃｋｉｎｇ　
ＰａｅｔＯｒ）は、伝熱管のピッチの小さい方がよいが
、この場合には、水槽内に多数の伝熱管を配することに
なり、氷の占有容積が減少する。

逆に、伝熱管のピッチを大きくし、伝熱管の表面に着氷
する氷の厚みを増すと、前記したように、冷凍機の成績
係数か下がるばかりではなく、解氷して冷水を取り出す
場合に、伝熱管群内及び１本の伝熱管の円周方向の氷の
厚さの減少度が不均一になり、冷水の取り出し温度かハ
ツチングを起こすことかある。そして最悪の場合には、
製氷・解氷時に隣接する伝熱管に着氷した氷同士が接触
合体（通称：ブリッジング）を起こし、伝熱管に余計な
力を与え、伝熱管を破損することもある。よって全体と
して氷の充填率（ＩＰＦ）を上げることは困難で、蓄熱
水槽（冷水蓄熱）に比較して、蓄熱効率が格段によくな
るとは限らない。

また、この間接熱交換方式の中でも、氷の充填率の低下
と冷凍機の成績係数の低下を考慮して、製氷用の伝熱管
を水中に浸漬するのではなく、製氷部と氷を貯蔵する槽
を分離した通称ハーベストタイプと呼ばれる氷蓄熱シス
テムが考案されている。このタイプの氷蓄熱システムは
、上部に製氷部を設置し、製氷用の伝熱管表面に一定（
比較的薄く冷凍機の成績係数が低下しない程度の厚さ）
の厚さの氷を着氷させた後、その伝熱管の表面を高温の
冷媒ガス等（コンプレッサ吐出ガス）で暖め、製氷した
氷を下部の貯蔵槽に貯めて行く方式しかし、この方式は
、上部製氷部において、伝熱管の冷却（製氷）−加熱（
降水）という二段階の過程が存在し、そのコントロール
も複雑になる上に、下部氷貯蔵槽における解氷を均一に
行なう方法がむずかしい。しかも、上記製氷部は、従来
の氷蓄熱槽とそれほど寸法が変らず、全体的に大きなシ
ステムになってしまう。

その他に、間接熱交換方式の一種として、製氷用の伝熱
管を通して熱交換（冷却）するのであるが、この場合、
被冷却液に水にエチレングリコール等の不凍液を混ぜた
液を用いるものと、水を成る流速で流せば０℃以下にし
ても凍結しないという現象を利用した連続流れの過冷却
水を用いるものとがある。

上記被冷却液に水と不凍液を混ぜたものを利用する方式
は、製氷用伝熱管を介してこの被冷却液を冷却し、その
凍結温度（０℃よりも低い）以下にして、被冷却液中の
水分を凍らせ、シャーベツド状（固液２相流）にし、そ
のまま搬送可能にしたシステムである。このシステムは
、不凍液と水を混合したことから、粘度や熱伝導率が悪
く、熱交換性能か低いばかりでなく、被冷却液中の水分
を凍らせて行くと、被冷却液中の不凍液の濃度が高くな
り、増々水分の凍結温度が低くなっていく。

そのためこの水分を凍らせるのに、冷却する冷却液の温
度を憎々下げねばならず、冷凍機の成績係数が更に低下
するという問題がある。また、このシャーベツド状被冷
却液を直接空調機へ搬送するのは、ポンプ動力が非常に
大きくなるばかりでなく、この被冷却液の温度が低いの
で、空調機の空気側で結露が生じ、空調機の寿命を縮め
てしまう。

上記過冷却水（−４℃程度）を熱交換する方式は、水の
連続流れの過程で水温を０℃以下まで過冷却する方式で
あり、この過冷却水の連続流れを蓄熱水槽に戻す際に衝
突板を設け、運動エネルギーを無くし、過冷却水の一部
を氷粒として析出させ、蓄熱水槽に貯える方式である。

この方式では、ンヤーベッド状の氷を蓄熱水槽に貯蔵す
ることかでき、伝熱管表面で製氷しないので冷凍機の成
績係数も割合高く、水槽内は氷粒と水だけなので氷の充
填率も高いが、この過冷却水の連続流れを作り出す過程
において淀みなく水を流す必要があるため、直管しか使
用できず、その直管の中でも、入口から水流を一様にす
る部分、冷却液により冷却する部分とか必要で、その直
管の長さを長くせざるを得ず、この過冷却型自身が長大
になってしまい、設置スペースが問題になる。また、過
冷却水自身の流量増大に伴ないその温度制御かむずかし
い上、現実には冷却液に冷媒を使用することは、蒸発熱
伝達の不均一に起因し、管内での凍結層の生じる恐れが
あるので、ブラインを介して過冷却水を製造することに
なるので、それほど冷凍機の成績係数は良くない。

一方、直接熱交換方式は、冷媒ガスを水中に直接吹き込
む方式である。この直接熱交換方式は、冷凍機内の膨張
弁を出た後の低温の冷媒を水槽の底部・側部から水中に
吹き込むので、間接熱交換方式に比較して冷却液（冷媒
）の温度を高くすることができるので冷凍機の成績係数
は良好である。

また、水槽の中で冷媒と水の直接接触による熱交換なの
で、熱交性能も良好で、水槽中に伝熱管等の容積を占有
するものがないので、氷の充填率（ＩＰＦ）も良好であ
る。そして、冷凍機の蒸発器に当たる部分がそのまま氷
蓄熱槽になるので、システムとして簡素化できる。

しかし、冷媒ガス（通常フロン）中に水か入いると、冷
媒と水とが反応して腐食性の塩素ガスを発生する上、冷
媒中に含まれる圧縮機用の潤滑油を水槽中に混入させる
ことかできないので、冷媒と潤滑油の分離が必要であり
、逆に水槽中で蒸発する冷媒ガス中に含まれる水分が圧
縮機内で悪影響を引き起こすため冷媒ガス中の水分除去
も必要である。また、この蒸発器でもある氷蓄熱槽は高
圧容器となってしまうので、大型化には向かない。

（発明が解決しようとする課題） 氷蓄熱の製造方法は直接熱交換方式と間接熱交換方式と
に大別されるが、下記するような個別の欠点を有してい
る。すなわち ■　伝熱管の表面で製氷・着氷する方式は、冷凍機の成
績係数の低下、氷の充填率が低い、解氷性能か悪い、伝
熱管の破損等の欠点。

■　製氷部と氷貯蔵槽とを組み合せたシステムは構成が
複雑で、全体に大型化するという欠点。

■　被冷却液に水と不凍液とを混ぜた方式は、冷凍機の
成績係数の低下、搬送動力の増大、空調機への悪影響等
の欠点。

■　過冷却水の連続流れを利用する方式は、過冷却器の
長大化、過冷却水の温度制御のむずかしさ等の欠点。

■　冷媒液（ガス）を直接水中に吹き込む方式は、腐食
性ガスの発生、油及び水分の分離の必要性、高圧容器で
あるという欠点。

を宵するが、全体として解氷が現実的には良好に行なわ
れない。

本発明は、前述した氷蓄熱器の欠点すなわち、冷凍機の
成績係数の低下、氷の充填率の低さ、解氷性能、システ
ムの複雑さ・大型化を回避するようにした氷蓄熱装置を
提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の氷蓄熱装置は、氷蓄熱槽の底部に貯溜部を設け
、この貯溜部に、比重量が水の１．５倍以上で凝固点が
マイナス５０℃以下の水に不溶のフロリナート液を貯溜
し、このフロリナート液を冷凍サイクルにより０℃以下
の温度を保つようにするとともに、氷蓄熱槽と貯溜部を
配管で結び、氷蓄熱槽の水を貯溜部のフロリナート液に
噴霧して氷を析出するように構成される。

（作　用） 本発明の氷蓄熱装置においては、氷蓄熱槽の水を配管を
介して貯溜部のフロリナート液に噴霧し、噴霧状をなす
水を、冷凍サイクルにより０℃以下の温度を保っている
フロリナート液と直接熱交換し、直接冷却することで、
その水がＯ”Ｃ以下になると氷となり、比重差による浮
力の影響で上部へ上昇し、上側に位置する水の中に入り
込む。水とフロリナートが一緒に入ると、水とフロリナ
ートは完全に分離し、氷は水の液面上部に集められ、フ
ロリナートは底に沈殿し、氷蓄熱槽に氷の塊か生成され
る。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面につき説明する。

第１図は本発明による氷蓄熱装置の全体構成を示し、こ
の氷蓄熱装置の氷蓄熱槽１の底部２は、側壁部３の下端
から中央方向に下方に傾斜した傾斜面となっており、そ
の底部２の中央部には氷蓄熱槽１と一体に貯蔵槽４が設
けられている。上記貯蔵槽４の中には整流板５が上下方
向に延びるように配置され、貯蔵槽４の内部を２室４ａ
、４ｂに仕切っている。整流板５の長さは貯蔵槽４の高
さより短く、整流板５の下端と貯蔵槽４の底部６との間
に連通部７を、整流板５の上側に連通部８を形成し、整
流板５により貯蔵槽４の室４ａと。

室４ｂとを通る循環流が形成される。

上記貯蔵槽４の一方の室４ｂには、熱交換器９が配置さ
れ、この熱交換器９は配管１０を介して外部に設けた冷
凍機１１に接続され、貯蔵槽４に収容されるフロリナー
ト液１２を冷却するようにしている。

フロリナート液１２は、無色・透明・無臭・不活性な液
体で、完全にフッ素化された構造をしており、炭素原子
Ｃとフッ素原子Ｆのみの結合である。このフロリナート
液１２は炭素原子Ｃとフ・ン素原子Ｆの結合数に応じて
、沸点と凝固点（流動点と同じ）は異なるか、凝固点か
一２０°Ｃ以下のものかほとんどである。そして、比重
量も０℃付近では１．７〜１．８ｋｇ／Ωて氷の２倍程
度である。また水のフロリナートへの溶解性は、温度１
０°Ｃて７．　２ｐｐｒａと少なく不溶と考えても問題
がない。よって、水槽内に水とフロリナートを一緒に入
れると、完全に分離し、フロリナートが底に沈殿し、水
がその上に浮く型になる。

本発明においては、上記フロリナート液１２として、比
重量か水の１．７〜１．８倍で、凝固点か一５０℃程度
のものが選定される。

一方上記氷蓄熱槽１の側壁部３の上部には取水口１３が
設けられ、また氷蓄熱槽１の内部には、この取水口１３
を囲むように仕切板１４か配置されている。また、貯蔵
槽４の底部６の室４ａに対応した部位には、ノズル１５
が配置されている。

上記側壁部３に設けた取水口１３と底部６に設けたノズ
ル１５とは、配管１６により接続されている。この配管
１６には、取水口１３の方から順にフィルタ１７、水吹
き込み用ポンプ１８、逆止弁１９が配置されている。

なお、第１図で符号２０は、生成された氷塊である。

つぎに作用を説明する。

まず、貯蔵槽４にフロリナート液１２を貯溜し、氷蓄熱
槽１に水２１を所定の液面まで満たす。貯蔵槽４のフロ
リナート液１２と氷蓄熱槽１の水２１は不溶であるから
、両液は完全に分離し、水２１とフロリナート液１２と
の界面２２が常に存在する。

ついで、冷凍機１１を作動させて、貯蔵槽４に貯溜した
フロリナート液１２を熱交換器９により、フロリナート
液５を０℃以下に維持する。

つぎに、配管１６に設けた水吹き込み用ポンプ１８を作
動させて、氷蓄熱槽１内の水を、側壁３に設けた取水口
１３から取水し、その水に含まれる異物をフィルタ１７
に補集した後、逆止弁１０を通して水吹き込みノズル１
５よりフロリナート液１２の中に吹き込む。フロリナー
ト液１２に吹き込まれた水４は、フロリナート液５の中
て水の噴霧水塊（粒）２３となって、吹き込み圧力と浮
力によって、フロリナート液１２と熱交換され、冷却さ
れながら、矢印Ａて示すように上部へ上昇して行き、水
２１とフロリナート液１２との界面２２を越えて、上部
の水中を上昇して行く。この時、フロリナート液１２に
よる冷却で氷となったものは、更に水中を上昇し、液面
付近（既に氷が存在する場合は氷の底面）まで上昇し、
氷塊（粒）か蓄積される。

一方、フロリナート貯蔵槽４内では、フロリナート液１
２中で噴霧水塊又は氷塊（粒）が上昇するのに伴ない、
フロリナート液１２は、第２図に示すように、加熱され
ながら上昇流を生じるが、フロリナート液１２は、フロ
リナート液整流板１３を設けたことにより、第２図で符
号Ｂて示すように、水を吹き込む部分ては、フロリナー
ト液１２は上昇し、冷凍機１１の熱交換器９を配する部
分では下降流か生じ、フロリナート液１２の循環流か生
ずる。この循環流の発生のため、フロリナート液１２と
熱交換器９内を流れる冷媒とは良好な熱交換が維持され
、常時０℃以下のフロリナート液１２とすることができ
る。

また、噴霧水塊または氷塊の上昇流に伴ない、フロリナ
ート液１２が随伴して上昇し、フロリナート貯蔵槽４か
ら飛び出してしまう場合、上部の氷蓄熱槽１内の水の対
流がほとんどないため、随伴フロリナート液１２は降下
し、底部傾斜板２に沿って流下することにより再びフロ
リナート貯蔵槽４に戻される。

しかして、冷却媒体のフロリナート液１２中で、水か連
続的に氷として析出し、水の上部に氷として貯えるので
、氷の充填率は高く、また、粘度が低く、表面張力の小
さいフロリナート液１２と水塊とが直接接触で熱交換す
るので、フロリナート液１２と水との熱交換率は非常に
良好である。また、冷凍機１１の熱交換器９とフロリナ
ート液１２との熱交換は、フロリナート液１２か、水を
底部から吹き込むことによる循環流があるため、その熱
交換率も良好である。そのため、冷凍機１１の成績係数
も割合高くなる。そして、フロリナート液１２の中に水
を吹き込んで、氷塊の状態で冷却されるので、生成され
る氷の大きさは小さく、氷粒となって、貯えるので、解
氷性能は良好である。

しかも、氷蓄熱槽１の下部に冷却・氷の析出部であるフ
ロリナート貯蔵槽４を設け、水を吹き込むためのポンプ
１８と逆止弁１９とそれらを連通ずる配管１６を設置す
るだけなので、全体のシステムも簡素で、大型化するこ
とも容易である。また、フロリナート液１２は、沸点も
５０℃以上と　。

高＜、かつ水面に浮いてくることはないので、フロリナ
ート液１２が使用とともに少なくなってしまうことはほ
とんどなく、しかも、氷蓄熱槽１の底部に底部傾斜板２
かあるので、フロリナート液は貯蔵槽４に戻り、また、
フロリナート液１２は、ＣΩ原子を含まないのでオゾン
層を破壊することもなく、沸点も高いので（５０℃以上
）で大気に拡散する量もわずかで、不活性なので、環境
への悪影響もない。また、水槽は大気開放型で簡易な容
器で十分である。

第３図は本発明の他の実施例を示す。この実施例では、
フロリナート貯蔵槽４の側壁の内側付近に冷凍機１１の
熱交換器９ａを配し、フロリナート貯蔵槽４の底部の中
心に水吹き込みノズル１５を設置している。この構成に
しても、中心では、水の吹き込み圧力と浮力により上昇
する噴霧水塊または氷塊（粒）がフロリナート液１２に
上昇流を生じさせ、側壁近傍に配置しである冷凍機１１
の熱交換器９ａが下降流を生じさせるので、フロリナー
ト液１２の循環流が生ずる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、氷蓄熱槽の底部に貯
溜部を設け、この貯溜部に、比重量が水の１，５倍以上
で凝固点かマイナス５０℃以下の水に不溶のフロリナー
ト液を貯溜し、このフロリナート液を冷凍サイクルによ
り０℃以下の温度を保つようにするとともに、氷蓄熱槽
と貯溜部を配管で結び、氷蓄熱槽の水を貯溜部のフロリ
ナート液に噴霧して氷を析出するようにしたので、フロ
リナート液と氷塊と直接接触熱交換し、フロリナート液
の循環流による熱交換器との熱交換効率が向上し、冷凍
機の成績係数が高くなり、また上部の水蓄槽には水と氷
しか存在しないので、氷の充填率が高く、しかも、氷塊
（粒）をフロリナート液で冷却するので、できる氷の大
きさは小さく、解氷性能は良好であり、また、システム
は簡易で、大型化も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による氷蓄熱装置の全体構成図、第２図
は冷却・氷析出部であるフロリナート貯蔵槽の詳細図、
第３図はフロリナート貯蔵槽の他の実施例を示す図であ
る。 １、・・氷蓄熱槽、２・・・底部、３・・・側壁部、４
・・・貯蔵槽、５・・・整流板、９・・・熱交換器、１
２・・・フロリナート液、１３・・・取水口、１５・・
・ノズル、１６・・・配管、２０・・・氷、２２・・・
界面。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、氷蓄熱槽の底部に貯溜部を設け、この貯溜部に、比
   重量が水の１．５倍以上で凝固点がマイナス５０℃以下
   の水に不溶のフロリナート液を貯溜し、このフロリナー
   ト液を冷凍サイクルにより０℃以下の温度を保つように
   するとともに、氷蓄熱槽と貯溜部を配管で結び、氷蓄熱
   槽の水を貯溜部のフロリナート液に噴霧して氷を析出す
   ることを特徴とする氷蓄熱装置。 ２、貯溜部が液貯蔵槽であり、この液貯蔵槽の底部に配
   管を連結し、この配管に逆止弁を設けたことを特徴とす
   る請求項１記載の氷蓄熱装置。 ３、フロリナート液貯蔵槽内にフロリナート液の循環流
   を生じさせるためのフロリナート液整流板を設けたこと
   を特徴とする請求項２記載の氷蓄熱装置。 ４、氷蓄熱槽の底部に傾斜板を設け、分散したフロリナ
   ート液を液貯蔵槽に回収することを特徴とする請求項２
   記載の氷蓄熱装置。