JPH05264074A - 氷蓄熱空調システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構成や制御を複雑にすることなく効率よく流
動性製氷を可能とし、蓄熱槽を有効に使用して運転コス
トの低減を可能とする氷蓄熱方式を開発し、このような
氷蓄熱方式を用いて空調システムを形成する。 【構成】 氷蓄熱装置において、蓄熱剤１０として水と
吸水ポリマーの混合物である吸水ゲルと不凍液の混合物
を使用し、この混合物１０を蓄熱槽１の底部より汲み出
し、ヒートポンプチラーまたは冷凍機の蒸発器等の冷却
手段２に導いて冷却して前記混合物中の吸水ゲル内に含
まれている水を凍結させ、更にこの凍結した吸水ゲルを
前記蓄熱槽１の上部より該蓄熱槽内に導入して蓄積し、
負荷側３には蓄熱槽１の底部より前記混合物１０を汲み
出して循環し、熱を吸収して温度の上昇した吸水ゲルと
不凍液の混合物１０を前記蓄熱槽１の上部に戻すように
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は氷蓄熱空調システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の氷蓄熱装置には、製氷コイル内に
冷媒やブラインを流してコイルの外側に氷を静かに着氷
させるスタティックタイプと冷却表面に水などを散布
し、着いた氷を機械的に移動させたり、掻き落としたり
して蓄えるダイナミックタイプの２通りがある。ダイナ
ミックタイプの蓄熱装置にもいくつかの種類が提案され
実施されている。以下にその例を示す。

【０００３】（１）製氷板の上に水を噴霧して氷を付着
形成し、徐々に着氷量を増加させて所定厚さに達した後
または所定時間経過後に、冷却管にホットガスを流すよ
うに回路を切換えて製氷板を加熱し、氷を蓄熱槽内に落
下蓄積させる方式。

【０００４】（２）ブライン（水とアルコール類の混合
物で凍結温度が０℃以下となるもの。一般に不凍液と呼
ばれる）を凍結温度以下に冷却し、ブライン中の水分を
徐々に凍らせて蓄積する方式。

【０００５】（３）水道水を０℃以下に過冷却し、蓄熱
槽内に放出して蓄熱槽内でシャーベット状の氷を作る方
式。

【０００６】（４）蓄熱槽内に水と冷媒を封入してお
き、冷媒を直接蓄熱槽内で膨張させ、水と冷媒の結晶体
（クラスレート）を作りこのクラスレートに蓄冷する方
式。

【０００７】以上のような方式が従来用いられていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
スタティックタイプの氷蓄熱装置では、コイルの外側に
着氷させるので、氷の厚さが大きくなるにつれて、氷の
熱伝導率の低さのために、冷却側のブライン温度あるい
は蒸発温度を低くしないと氷ができにくくなり、これに
より冷凍機の効率（成績係数）が低下していた。またコ
イルの間隔を適当に設けて、製氷量もコントロールしな
いと、氷厚が増加するにつれて、コイル同士に余分な力
が加わったり、付着し合い解氷が困難になるという問題
があった。また、前述のダイナミックタイプの内、
（１）の方式では、製氷装置と蓄熱槽を一体型として構
成する必要があり、また機構が複雑となり、制御も複雑
となっていた。また、ホットガスをバイパスさせる回路
が必要になり、また冷却面を一時的に加熱するためエネ
ルギーの無駄を生じ、さらに加熱サイクル時には冷却で
きない等の不利な点があった。

【０００９】前記（２）の方式では、氷が生成されるに
つれてブライン濃度が高くなり、凍結温度がさらに低く
なり、冷凍機の効率（成績係数）を悪化させるなどの欠
点があった。

【００１０】前記（３）の方式では、蓄熱槽内の水道水
を過冷却するものであるが、水の中に微細な氷の細片な
どが存在すると、過冷却器内で氷が生成されてしまうの
で、水をろ過処理したり多少予熱したりする必要があ
り、装置が複雑になったり、制御が複雑になる等の欠点
があった。

【００１１】また、前記（４）の方式では、蓄熱槽の中
に水と冷媒が共存することになり、蓄熱槽が圧力容器扱
いとなったり、銅や鉄で蓄熱槽を作ったりすると、腐食
が問題となるという欠点があった。

【００１２】一般に、氷蓄熱装置として必要な条件は、
（イ）熱の出し入れが容易で特別な熱交換器を必要とし
ないこと、（ロ）状態変化（融点、沸点）が目的の蓄熱
状態に近いこと、および氷点が０℃に近いこと、（ハ）
蓄熱容量が大きいこと（水が蓄冷剤としては優れてい
る）、（ニ）繰り返し使用しても劣化せず耐久性がある
こと、（ホ）安価で大量に入手できること、（ヘ）化学
的に安定で取扱いが容易なこと、（ト）安全性が高いこ
と、（チ）システムが単純なこと、（リ）設備コストが
安いこと、（ヌ）運転コストが安いこと、などが挙げら
れる。

【００１３】前述の従来技術に係るスタティックタイプ
の氷蓄熱装置においては、上記（イ）、（ロ）、
（チ）、（リ）、（ヌ）などの点に問題があり、また従
来のダイナミックタイプの氷蓄熱装置においては、上記
（イ）、（ロ）、（ヘ）、（ト）、（チ）、（リ）、
（ヌ）などの点に問題があった。

【００１４】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たものであって、構成や制御を複雑にすることなく効率
よく流動性製氷を可能とし、蓄熱槽を有効に使用して運
転コストの低減を可能とする氷蓄熱方式を開発し、この
ような氷蓄熱方式を用いた空調システムの提供を目的と
する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明においては、蓄熱剤として水と吸水ポリマー
の混合物である吸水ゲルと不凍液の混合物を使用し、こ
の混合物を蓄熱槽の底部より汲み出し、ヒートポンプチ
ラーまたは冷凍機の蒸発器等の冷却手段に導いて冷却し
て前記混合物中の吸水ゲル内に含まれている水を凍結さ
せ、更にこの凍結した吸水ゲルを前記蓄熱槽の上部より
該蓄熱槽内に導入して蓄積し、負荷側には蓄熱槽の底部
より前記混合物を汲み出して循環し、熱を吸収して温度
の上昇した吸水ゲルと不凍液の混合物を前記蓄熱槽の上
部に戻すように構成している。

【００１６】

【作用】この発明では、蓄熱剤は、水と吸水ポリマーの
混合物である吸水ゲルとさらに不凍液との混合物により
構成される。このような混合物からなる蓄熱剤は蓄熱槽
内に蓄えられる。吸水ゲルの濃度は水と吸水ポリマーの
混合比により粘性の高い固形状から水とほとんど変らな
い流動性の高い状態まで調整できるが、このシステムに
おいては、吸水ゲル内の水が凍結するので氷の充填率Ｉ
ＰＦ（Ice Packing Factor)を考慮して設定する。一
方、不凍液の濃度はヒートポンプ（夏期仕様）または冷
凍機内の蒸発器内で吸水ゲルのみが凍結し、不凍液は凍
らない程度の濃度に設定する。

【００１７】この混合液内では、吸水ゲルは水を含んで
球状をしており、この球状ゲルが不凍液の間に浮んでい
る状態にある。吸水ゲルは分子が適当な場所で結合され
ており、その分子網の中に水分子が補足されている。分
子の網についている水は一般に凍らない不凍水であり、
その内側に凍結温度が規制される領域があり、その内部
に通常の水と同様な自由水が含まれている。吸水ゲルに
はこの自由水が豊富に含まれており、この自由水を凍ら
せることが本発明の主旨である。吸水ゲルは水の出入り
が規制されているので、いわゆる水を閉じ込めたマイク
ロカプセルを構成する。

【００１８】これらの混合液を冷凍機等の冷却器に導い
て凍結温度以下に冷却すると、吸水ゲル（マイクロカプ
セル）内の自由水がまず凍結する。

【００１９】図３は、ブラインの温度特性の一例を示す
グラフである。横軸はブライン濃度（ｗｔ％）、縦軸は
凍結温度（℃）を表す。この様な特性をもつブライン溶
液中に吸水ゲルを投入して本発明の蓄熱剤を作成する。
このグラフに示すブラインを用いた場合、吸水ゲルを添
加したブラインの凍結温度は、ブラインを１０ｗｔ％の
濃度とした場合約−６℃まで低下することが確認されて
いる。

【００２０】一方、吸水ゲルは前述のように、一定の架
橋性を保ってマイクロカプセル内に吸収した自由水を保
持する。このため、カプセル外の水分より先に吸水ゲル
内の自由水が凍結する。これにより流動性の大きい製氷
が得られる。

【００２１】このようにして得られた流動性製氷は蓄熱
槽内に蓄えられる。蓄熱槽内では、凍結した吸水ゲルは
上部に浮上し、氷の融けたゲルは蓄熱槽下部に移動す
る。この蓄熱槽下部の水を多く含む吸水ゲルおよび不凍
液の混合液（本発明の蓄熱剤）をポンプで汲み出し、製
氷器（冷凍機等の冷却装置）を循環させて前述のように
流動性の氷を生成し、これを蓄熱槽の上部から蓄熱槽内
に導入し循環作用を繰り返す。

【００２２】一方、蓄熱槽内に蓄えられた冷熱の利用は
次のように行なう。即ち、蓄熱槽の下部に蓄えられた水
を多く含むゲルおよび不凍液との混合液をポンプにより
汲み出し、負荷側（空調機やファンコイル）に送り、冷
熱を取り出して冷房に利用する。

【００２３】空調機やファンコイルにおいて熱交換され
温度の上昇した混合液は、蓄熱槽の上部より例えばデス
トリビュータを用いて均一に散布され、蓄熱槽上部に溜
まった氷を溶かす。氷が溶けると混合液は蓄熱槽の下部
に移動し、負荷側に再循環させる。これを繰り返すこと
によって、蓄熱槽内に蓄えられた冷熱を有効に取り出す
ことができる。

【００２４】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例について
説明する。

【００２５】図１は本発明に係る氷蓄熱空調システムの
第１の実施例を示す。この実施例では、蓄熱槽と製氷冷
却機が別体として設置され、氷蓄熱槽１内に、吸水ポリ
マーと水の混合物である吸水ゲルと不凍液とを混合した
蓄熱剤１０を貯留しておく。水とポリマーの重量比は所
望の条件に応じて種々選定できるが、例えば（５００〜
５０）：１程度の範囲を選定する。

【００２６】この蓄熱剤１０をポンプ４１を含む配管４
によってヒートポンプ２に循環させて冷却し、吸水ゲル
内の一部の水分（マイクロカプセル内の自由水）を前述
のように凍結させる。蓄熱剤１０は、図示のように蓄熱
槽１の下部より汲み上げて冷却し、凍結後一部に氷を含
む吸水ゲルと不凍液との混合物からなる流動性製氷を蓄
熱槽１の上部に導き、散布器４２により槽内に散布す
る。

【００２７】この蓄熱槽内に導入された氷を含む吸水ゲ
ルと不凍液との混合液（蓄熱剤）１０は、氷とその他の
混合成分の密度差によって氷を含む吸水ポリマーからな
るゲルが上部に浮び、水分を多く含む吸水ポリマーから
なるゲルは下方に移動する。従って、このサイクルを繰
り返すことによって、蓄熱槽１の上部には氷を包み込ん
だ吸水ポリマーからなる吸水ゲルと不凍液との混合液が
蓄えられ、下部には水分を含んだ吸水ポリマーからなる
吸水ゲルと不凍液との混合液が蓄えられる。

【００２８】一方、熱負荷側における冷熱の取り出し
は、熱伝達方向が前記製氷、貯氷サイクルとは逆にな
り、蓄熱槽下部にある流動性の高いゲルと不凍液との混
合液（温度は０℃程度）をポンプ５１を含む配管５によ
って汲み出し、空調機３などの熱負荷部に供給し、熱を
奪って空調機を冷却する。この熱負荷部で冷熱を放出し
て（熱交換して）温度の上昇した混合蓄熱剤は、蓄熱槽
１の上部の散布器５２より均一に槽内に散布され、氷を
含む混合蓄熱剤１０上に噴霧される。これにより、蓄熱
槽１の上部に貯められていた氷が融解し、混合蓄熱剤の
温度が０℃程度になって、密度が上昇し蓄熱槽１の下部
に移動して貯まる。氷を使い終ってしまうと温度は上昇
する。このようなサイクルを繰り返すことにより、蓄熱
槽１に蓄えられた冷熱を有効に利用できる。

【００２９】図２は、本発明に係る氷蓄熱空調システム
の第２の実施例を示す。この実施例では、蓄熱槽と製氷
器が一体型に作製され、ヒートポンプが屋外に別置され
ている。製氷用冷媒をポンプ４１を含む配管４でヒート
ポンプ２を循環させ、製氷器２０に戻す。４３は循環を
調節するレシーバタンクである。

【００３０】一方、蓄熱槽１内の混合蓄熱剤１０を、ポ
ンプ６１を含む配管６で、蓄熱槽１の下部から汲み上げ
て製氷器２０を通し、前述のように吸水ゲル（マイクロ
カプセル）内の自由水を凍らせ、製氷する。このサイク
ルを繰り返すことにより次第に氷を含む混合蓄熱剤１０
は上部に、水を多く含む混合蓄熱剤１０は下部に貯まっ
てくる。

【００３１】冷熱の取り出しは、図１の第１の実施例と
同様であって、蓄熱槽１の下方の０℃位の流動性の高い
ゲルと不凍液との混合剤をポンプ５１を含む配管５によ
って空調機３を循環させる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、蓄熱剤として水と吸水ポリマーの混合物である吸水
ゲルと不凍液との混合物を使用し、これを蓄熱槽下部よ
り取り出して冷却し吸水ゲル内に含まれている水を凍結
させ、これを蓄熱槽上部に戻し、負荷側では混合蓄熱剤
を蓄熱槽下部より取り出して熱交換し、温度上昇した蓄
熱剤を蓄熱槽上部に戻すように構成しているため、蓄熱
剤を冷却することにより、吸水ポリマーに含まれた自由
水が凍結し、この氷を含む吸水ポリマーが不凍液中に浮
遊して流動性の高い氷を製氷することが容易に可能とな
る。これにより蓄熱剤の循環を極めて円滑に行ないヒー
トポンプチラーや冷凍機の蒸発器等の冷却手段に直接導
入して製氷することが容易に可能になるとともに、蓄熱
槽内の氷充填率を向上させ、空調システムの構造や制御
を複雑にすることなく簡単な構成で効率よく流動性蓄熱
剤を循環させて熱交換サイクルを効果的に達成し、エネ
ルギー効率を高め冷凍機の成績係数を高く維持して運転
コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例に係る氷蓄熱空調シス
テムの構成説明図である。

【図２】 本発明の第２の実施例に係る氷蓄熱空調シス
テムの構成説明図である。

【図３】 ブラインの凍結温度特性の一例を示すグラフ
である。

【符号の説明】

１；蓄熱槽、 ２；ヒートポンプ、 ３；空調機、 ４；配管、 ４１；ポンプ、 ４２；散布器、 ４３；レシーバタンク、 ５；配管、 ５１；ポンプ、 ５２；散布器、 ６；配管、 ６１；ポンプ、 １０；蓄熱剤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 氷蓄熱装置において、蓄熱剤として水と
   吸水ポリマーの混合物である吸水ゲルと不凍液の混合物
   を使用し、この混合物を蓄熱槽の底部より汲み出し、ヒ
   ートポンプチラーまたは冷凍機の蒸発器等の冷却手段に
   導いて冷却して前記混合物中の吸水ゲル内に含まれてい
   る水を凍結させ、更にこの凍結した吸水ゲルを前記蓄熱
   槽の上部より該蓄熱槽内に導入して蓄積し、負荷側には
   蓄熱槽の底部より前記混合物を汲み出して循環し、熱を
   吸収して温度の上昇した吸水ゲルと不凍液の混合物を前
   記蓄熱槽の上部に戻すように構成したことを特徴とする
   氷蓄熱空調システム。