JPH0621752B2 - 蓄熱用製氷装置 - Google Patents

蓄熱用製氷装置

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JPH0621752B2
JPH0621752B2 JP62047770A JP4777087A JPH0621752B2 JP H0621752 B2 JPH0621752 B2 JP H0621752B2 JP 62047770 A JP62047770 A JP 62047770A JP 4777087 A JP4777087 A JP 4777087A JP H0621752 B2 JPH0621752 B2 JP H0621752B2
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孝夫 岡田
時雄 小此木
利雄 林
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は,空調用氷蓄熱を行う場合の製氷装置に関す
る。
〔従来の技術並びに問題点〕
氷蓄熱空調システムにおける氷製造法は,大別すれば,
間接熱交換方式と直接熱交換方式が従来より知られてい
る。間接熱交換方式は,製氷用伝熱管(熱交換器)を用
いる方法であり,伝熱管内(外)に低温の冷媒(ブライ
ン,フレオン等)を流し,管外(内)に氷を生成する方
法である。他方の直接熱交換方式は,冷媒ガスを水中に
直接吹き込む方式である。
伝熱管により間接方式では,被冷却液が水の場合,生成
した氷は管壁に着氷して生長する。この場合,氷の熱伝
導率は悪いので着氷の厚みが増すほど氷の生長速度が遅
くなるという欠点がある。氷の生長を促進するためには
冷媒温度も着氷の厚みが増すほど下げる必要があり,こ
のために冷凍機の成績係数(COP)が下がる欠点をもつ。
また,水槽内での氷の充填率(IPF)を大きくするには伝
熱管のピッチを細かくすることが必要となり,ひいては
水中に浸漬する伝熱管の相対容積が増大することにな
り,氷蓄熱のための有効容積の減少を来たすことにもな
る。したがって蓄熱効率は普通の蓄熱水槽(冷水蓄熱)
に比べて格段に良くなるというわけでもない。
このため,伝熱管方式ではあるが,管壁に着氷させない
方式として,被冷却液にエチレングリコール等の不凍液
を混ぜる方式が最近注目されている。この方式では伝熱
面に着氷することなくシヤーベット状の氷が被冷却液の
液中に生成する。このため,氷の充填率(IPF)を30〜60
%にまで高めることができる。しかし,氷の生成に伴っ
て被冷却液中のエチレングリコール濃度が高くなるので
冷媒温度はこれに伴って−10〜−20℃程度へと徐々に下
げなければならない。このため,冷凍機の成績係数(CO
P)が低下するという問題がある。さらに,伝熱管表面は
例えば鏡面仕上げを施したような滑らかなものを使用し
なければ管壁に着氷するので,熱交換器は自ずと高価な
ものになる。
一方,直接熱交換方式では,冷媒温度は0℃近い温度で
使用できるので,冷凍機の成績係数は上がる。また,金
属の伝熱面を持たないので着氷による氷塊の発生はな
く,従って氷充填厘は50〜60%程度となる。しかし,冷
媒ガス中に水が入り,フロンと水とが反応して腐食性の
塩素ガスを発生するという問題が生ずる。
本発明は,かような問題点をもつ従来の製氷方式に代わ
る新規な蓄熱用装置の開発を目的としてなされたもので
ある。
〔発明の構成〕
前記の目的を達成せんとする本発明の要旨とするところ
は,蓄熱水槽内の水の一部を槽外に設置した流体通路内
を連続的に流したうえ再び蓄熱水槽内に戻す流体循環路
を形成し,この流体通路内においてそこを連続的に通過
する水を0℃以下で−4℃以上の温度にまで過冷却する
強制冷却帯域を設け,この強制冷却帯域を出て蓄熱水槽
に至るまでの流れ経路において過冷却水から氷粒が析出
するに必要な時間と衝撃を付与するための氷析出帯域を
設けてなる蓄熱用製氷装置である。ここで,槽外に設置
する流体通路は好ましくは樋状の容器によって構成さ
れ,その強制冷却帯域は樋状通路の流体流出口よりも所
定の距離をおいた上流側に設けられ,且つこの強制冷却
帯域はこの樋の壁面に配置さた冷凍機ユニットの蒸発器
によって構成される。また,氷析出帯域は該過冷却水の
流れ同士を互いに衝突させるように構成された静止部材
からなる。
すなわち本発明は,水の連続流れの過程で水温を零度以
下にまで過冷却することにより過冷却水の連続流れを作
り,この過冷却水の連続流れを蓄熱水槽に戻す過程で衝
撃を付与して氷粒を析出させてまたは析出させつつ蓄熱
水槽に戻すという原理によってシャーベット状(スノー
ジャム状)アイスを蓄熱水槽内に生成させるものであ
り,伝熱面で着氷させないで連続製氷させる点に特徴が
ある。過冷却水の連続流れを形成するには,その流体通
路として一端に水導入口を他端に流体流出口を有する樋
状の通路を使用し,その流体流出口よりも所定の距離を
おいた上流側の樋両壁に冷凍機ユニットの蒸発器を配置
することによって行うのが装置構成も簡単であり便宜で
ある。氷析出は強制冷却帯域を通過したあと,強制冷却
を行なわないで過冷却水を水路中に流したあと,衝撃を
付与することよって行う。この衝撃エネルギーとしては
水流のもつ運動エネルギーを利用するのが便宜である。
また,超音波を投射するのも有益である。
以下に図面の実施例に従って本発明の製氷装置を具体的
に説明する。
〔実施例〕
第1図は本発明の蓄熱用製氷装置の全体構成を示したも
のであり,1は蓄熱水槽,2は槽外に設置した流体通
路,3は蓄熱水槽1内の水を流体通路2に送り込むポン
プを示している。本発明装置では,蓄熱水槽1内の水の
一部をポンプ3によって槽外に設置した流体通路2内を
連続的に流したうえ再び蓄熱水槽1内に落下させる流体
循環路を形成すると共に,この流体通路2内においてそ
こを連続的に通過する水を0℃以下で−4℃以上の温度
にまで過冷却する強制冷却帯域4を設け,この強制冷却
帯域4を出て蓄熱水槽1に至るまでの流れ経路において
過冷却水を相変化させることなくそのまま流す過冷却水
流出帯域5を流体通路2内に設けると共にこの流体通路
2の流体流出口6に過冷却水衝突帯域7を設ける。この
過冷却水衝突帯域7を通過し蓄熱水槽1に落下する間に
過冷却水から氷が析出する。
図示の実施例において,流帯通路2は一端に水導入口8
を他端に流体流出口6を有する樋形状を有し,これを水
導入口8から流体流出口6に向けてゆるやかな下り勾配
をもって設置することにより,その中を重力によって自
然に水が流れる通路に形成したものである。そして,水
導入口8と流体流出口6の間において,水の流れの順
に,整流帯域9,強制冷却帯域4,過冷却水流出帯域5
および過冷却水衝突帯域7を形成する。
整流帯域9は強制冷却帯域4に入る水流を一様流れに整
流する帯域である。強制冷却帯域4は通路の両側壁また
は両側壁と底面に冷凍機ユニットの蒸発器11を配置して
構成される。図において12は圧縮機,13は凝縮器,14膨
脹弁または絞り用の細径管を示しており,蒸発器11との
間に冷媒が循環する冷凍サイクルを形成している。すな
わち圧縮機12で圧縮した高圧冷媒は凝縮器13で凝縮して
冷却水に放熱し,その液冷媒は膨脹弁または細径管14で
絞られたうえ蒸発器11で膨脹ガス化して通路内の連続流
れの水から抜熱し、圧縮機12に戻る。この冷凍機ユニッ
トを適正に稼働することにより,強制冷却帯域4を流れ
る水を−4℃以上0℃以下の温度に過冷却する。
この強制冷却帯域4によって過冷却された水は水→氷の
相変化を超こすことなくそのまま流出帯域5を静かにな
がれたうえ,過冷却水衝突帯域7で氷の析出該を発生し
成長しつつ蓄熱水槽1に落下する。また蓄熱水槽1にお
いても氷の析出と成長が起きることもある。
第2図は,流体通路2の全体を図示の都合上途中で分割
して示しているが、流体通路2は水導入口8から流体流
出口6に至るまで連続しており,前記のようにゆるやか
な下り勾配をもたせて設置される樋状体である。
この樋の上流側では,水導入口8から所定の距離をもっ
た整流帯域9を有する。水導入口8の近傍に堰16を設け
たり,またその後に必要に応じて整流板(図示せず)を
設けたりして,次の強制冷却帯域4に入る前の水流を一
様流れを整流する。
強制冷却帯域4には,図示の例では樋の両側壁17a,17b
に接してこの帯域の長さ分の蒸発器11a,11bが配置され
ている。蒸発器11a,11bは中空の細長いボックスであ
り,その一端に接続された細径管14a,14bを経て液冷媒
(第1図の凝縮器13で凝縮した液冷媒)がこのボックス
内に導入される。またボックスの他端には前記の圧縮機
12に通ずるガス冷媒管路18a,18bが接続される。細径管1
4a,14bは直膨型熱交換器と同様の絞り弁の役割を果た
し,液冷媒はここで絞られてボックス内で気化し,ガス
冷媒管路18a,18bを経て圧縮機12に吸引される。このよ
うにして構成される強制冷却帯域4の全長にわたって,
蒸発器11a,11bと接する両側壁17a,17b以外は断熱材19で
囲われており,またこの断熱材19は後続の過冷却水の流
出帯域5でも用いられている。整流帯域9で整流された
水がこの強制冷却帯域4を連続的に通過する間に蒸発器
11a,11bによって0℃以下に冷却されるのであるが,蒸
発器11a,11bの冷媒温度が−7℃より低くならないよう
に冷凍機ユニットを稼動し且つ水の流量を適切に調節す
ることによって,伝熱面である両側壁17a,17bには着氷
させることなく次の過冷却水流帯域5に流出させること
できる。
強制冷却帯域4に引き続く過冷却水流出帯域5は,強制
冷却帯域4を出た過冷却水の流れをそのまま樋内を所定
の時間のあいだ流す帯域であり,第3図の断面図で示す
ように断熱材19で囲われた単なる流体通路である。過冷
却水衝突帯域7は流れてくる過冷却水に衝撃を与える帯
域であり,この衝撃を付与するのに図示の例では流れの
もつ運動エネルギーを利用した氷析出帯域であり,これ
は過冷却水の流れ同士を互いに衝突させるように構成さ
れた静止部材からなる流体通路である。すなわち,流体
流出口6から落下する前に分流と合流を行わせる衝突機
構を設ける。第4図はこの分流と合流を行わせる部分の
断面を示したものであるが,樋の底板に二つの落下口21
と22を設け,この落下口21と22に分流して落下する二つ
の流れをノズル状の流体流出口6の前方で合流させる構
成を示している。すなわち,樋の最後部の壁20の直前に
おいて樋底部に複数個の落下口21,22を設けると共に,
各落下口21,22から落下する分流を互いに衝突させる合
流部23を設け,この合流部23で合流した流れを流体流出
口6から落下させるのである。この合流部23を流出口7
の近傍に設けることによって,流出口7が生成した氷で
閉塞するような事態は回避される。以上の構成により,
流体流出口6から流出するさいには氷の結晶が発生して
スラリー状となって蓄熱水槽1に落下し,蓄熱水槽1に
は流動性のよいショーベット状の氷が累積または成長す
ることになり,本発明装置の稼動を続けるとこれが蓄積
して氷蓄熱が達成される。
なお,氷の析出を促進させるために,過冷却水衝突帯域
7を流れる過冷却水に対して,さらには蓄熱水槽に落下
する途中または蓄熱水槽に落下した後の過冷却水に対し
て超音波等の外的エネルギーを付与することも有益であ
る。
〔作用効果〕
本発明装置は,水の連続流れ過程において強制冷却帯域
を通過したあとの非冷却ゾーンで氷を生成させるもので
あるから伝熱面に着氷させずに製氷ができる。また,不
凍液などを使用せずとも真水から製氷ができる。そして
生成する氷は微細な結晶粒からなるものであり,蓄熱水
槽内にはシャーベット状の状態で氷蓄熱ができ,氷充填
率は60%以上に高めることができる。また,強制冷却帯
域では冷媒温度は−7℃以上でよく(但し0℃以下)冷
凍機の成績係数ぱ従来方式に比べて著しく高くなる。加
えて本発明装置は構成が単純であるから制御などが目視
観察しながら容易に行えると共に操作が簡単であり,且
つ材料面でも極めて安価に製造できる。このようなこと
から,既存の蓄熱水槽を氷蓄熱槽に改変することも非常
に容易である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明装置の全体を示す機器配置系統図,第2
図は第1図の流体通路の全体を2分割して示した斜視
図,第3図は第2図のIII−III線矢視拡大断面図,第4
図は第2図のIV−IV線矢視拡大断面図である。 1……蓄熱水槽,2……流体通路,3……ポンプ,4…
…強制冷却帯域,5……過冷却水流出帯域,6……流体
流出口,7……過冷却水衝突帯域,8……水導入口,9
…整流帯域,11……蒸発器,12……圧縮機,13……凝縮
器,14……膨脹弁または細径管,19…断熱材,21,22…
…分流落下口,23……合流部。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】蓄熱水槽内の水の一部を槽外に設置した流
    体通路内を連続的に流したうえ再び蓄熱水槽内に戻す流
    体循環路を形成し, 該流体通路内において,そこを連続的に通過する水を0
    ℃以下で−4℃以上の温度にまで過冷却する強制冷却帯
    域を設け, この強制冷却帯域を出て蓄熱水槽に至るまでの過冷却水
    の流れ経路に氷析出帯域を設けてなり, 前記の氷析出帯域が,該過冷却水の流れ同士を互いに衝
    突させるように構成された静止部材からなる流体通路で
    ある蓄熱用製氷装置。
  2. 【請求項2】蓄熱水槽内の水の一部を槽外に設置した樋
    状の通路内を連続的に流したうえ再び蓄熱水槽内に戻す
    流体循環路を形成し, 該樋状の通路内において,そこを連続的に通過する水を
    0℃以下で−4℃以上の温度にまで過冷却する強制冷却
    帯域を設け, この強制冷却帯域を出て蓄熱水槽に至るまでの過冷却水
    の流れ経路に氷析出帯域を設けてなり, 前記の強制冷却帯域が,樋状通路の流体流出口よりも所
    定の距離をおいた上流側に設けられ,且つこの強制冷却
    帯域はこの樋の壁面に配置された冷凍機ユニットの蒸発
    器によって構成され, 前記の氷析出帯域が,該過冷却水の流れ同士を互いに衝
    突させるように構成された静止部材からなる流体通路で
    ある蓄熱用製氷装置。
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