JPH06271841A - 氷蓄熱装置用冷熱媒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温のシャーベット状の氷を作り、蓄熱量を
増大して冷熱輸送効率、経済性を高める。 【構成】 低粘性のシリコーン油、弗素などの高分子性
油に界面活性剤、或いは、界面活性剤と共に吸水性物質
を混入し、油中に分散する細かい水滴の数、量を増大さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空調用蓄熱装置やエネ
ルギー供給センターに用いられる氷蓄熱装置用冷熱媒に
関する。

【０００２】

【従来の技術】低廉な深夜電力を利用し、シャーべット
状の氷を作って蓄熱し、その氷を必要時に熱交換器に送
り目的物を冷却する技術において、吸水膨潤させたポリ
マーを不凍液に混入し、ポリマー中の水を氷結させる技
術が知られている。

【０００３】しかし、ポリマーは、エチレングリコール
水溶液（有機系）や塩化カリシウム水溶液（無機系）な
どの電解質系の不凍液に対して浸透圧により吸水した水
を放出し、不凍液を吸収する傾向がある。したがって、
ポリマーの表面を電解質の不凍液が浸透しないよう保護
膜を作る。又は、不凍液に油を用いる技術がある（特開
平４−６４８３９号公報）。

【０００４】また、氷蓄熱槽の貯水槽内に、比重が水の
１．５倍以上で、凝固点が−２０℃以下で、水に不溶解
な冷熱媒（例えばフロリナート液）を、０℃以下で氷蓄
熱槽底部に貯蔵し、この冷熱媒を氷蓄熱槽の上部から散
布して氷蓄熱槽内に循環させることにより、氷を析出さ
せる技術が知られている（特開平４−１９００２８号公
報）。この方式は非エマルジョン型で、本発明のエマル
ジョン型とは異なる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者技術にお
いて、保護膜を作る十分な技術は、確立されていない。
また、不凍液に不活性な油を用いると、吸水膨潤状のポ
リマーの表面は不活性であるので、ポリマー相互に凝集
力が作用して結合し、また、容器に固着する不具合があ
る。したがって、ポリマー中の水は氷結しても、鎖状に
つながった氷又は、容器に固着した氷となり、シャーベ
ット状の氷は得がたい。

【０００６】また、後者技術において、フロリナート液
を用いた場合は、次のような問題がある。

【０００７】（１） 蓄熱のＩＰＦ（氷充填率）は１０
％程度で小さく、３０％程度以上に向上させる必要があ
る。

【０００８】（２） 熱伝達率が低下し、熱交換器の伝
達面積を拡大する必要がある。

【０００９】（３） フロリナート液は、高価である。

【００１０】本発明は、上記した問題を解決するために
なされたもので、低温のシャーベット状の氷を作り、蓄
熱量を増大して冷熱輸送効率、経済性を高める氷蓄熱装
置用冷熱媒を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、非水溶
性不凍液を冷熱媒とする氷蓄熱装置の該非水溶性不凍液
の粘度を２５℃において０．４〜３０００ｃＳｔとして
いる。

【００１２】また、本発明によれば、非水溶性不凍液
に、水と界面活性剤を最高で５重量％とを混合し、前記
非水溶性不凍液と水とのエマルジョンとしている。

【００１３】上記非水溶性不凍液には、化学的に不活性
で安全性が高い低粘度、低凝固点のシリコーン油、弗素
系不活性油が好ましい。また、エマルジョンとして水を
最高５０％程度分散させている。

【００１４】また、本発明によれば、このような多量の
水を油中に分散させる方法に、上記の界面活性剤による
エマルジョン方法の他に、油中に微細な吸水性のある物
質をアニオン系または非イオン系の界面活性剤（分散
剤）と共に混入する方法を用いている。この方式は弗素
系不活性油を用いる場合、特に有効である。

【００１５】その吸水物質としては、有機系のものに天
然高分子類（デンプン系、セルローズ系、多糖類など）
や高分子類（ポリビニールアルコール系、アクリル系、
ポリエチレンオキサイド系）などの前記油に安定なもの
が好ましく、また、無機系では保水性のカーボン・ブラ
ックの微粉炭など、あるいは天然または合成繊維で、そ
の断面がリング状或いは凹凸状で、保水性のある繊維チ
ップでもよい。

【００１６】これらの吸水性物質は、比表面積や水との
親和力が大きいので、油中の水分を吸収・吸着し、か
つ、保持する。その結果、油と水とのコロイド溶液が得
られる。また、吸水性物質の混合量を増すことで、油中
に分散できる水滴の数、量を増大することができる。こ
こで、アニオン系または非イオン系の界面活性剤は、油
中に分散する吸水性物質の凝集を防ぐ。

【００１７】また、本発明によれば、油中に、吸水させ
た粒状の吸水性物質を混入してコロイド溶液とし、水滴
を５０％程度分散させている。

【００１８】また、本発明によれば、吸水性物質にイオ
ン性ポリマーを用いた場合、該吸水性ポリマーの吸水倍
率を１００倍以下に抑えている。

【００１９】次に、作用について説明する。

【００２０】冷却により油中に分散する水滴が凍結し氷
粒となる。氷粒の温度は前記油の凝固点が−３０℃以下
であるので、−２０℃程度の低温にすることができる。
低温では油の粘度上昇が問題となるが、前記油は粘度変
化が少なく支障とならない。

【００２１】前記油は表面張力が水の１／４程度と小さ
く、これら油中で凍結してできる氷は非常に柔らかく、
ポーラスな氷ができる傾向がある。この結果、未凍結の
油が氷に吸収され、全体の流動性が失われ、氷の搬送上
支障となる。このために氷の量・質を制御する必要があ
る。

【００２２】氷の量としては４０〜５０％（ｗｔ）が限
度である。また、氷の質としては、細かく丸味を帯びた
ものがよい。イオン性ポリマーを混入する場合には、ポ
リマーの架橋度を高めて吸水膨潤度を抑えたもの、粒径
の細かいもの、粒状が丸味を帯びたものがよい。イオン
性の吸水性ポリマー（日本触媒化学工業株式会社のアク
アリックＣＡ）を用いて吸水倍率を高めると、膨潤度が
高まり、ポーラスな氷が得られるが、氷の搬送の問題が
あるので吸水倍率を１００倍以下に抑えると良い結果が
得られた。また、ノニオン系ポリマー（住友精化株式会
社のアクアコーク）についても同様な効果がある。

【００２３】低温の氷を作れることは、蓄熱上、利用で
きる顕熱分の増大となり、蓄熱量の増大となり、好都合
である。

【００２４】本発明での冷熱媒の流れは、油、氷（吸水
性物質を含めて）の二相流の流れとなるが、低粘性の油
は浸透性に勝れるので、これら物質間、並びにこれら物
質と循環路の管壁との摩擦を低減する潤滑剤となり好都
合である。

【００２５】また、流れの途中で、氷粒同士が接触する
ことがあっても、氷粒表面が界面活性剤や油に覆われて
いるので、結合、クラスターの発生、そして循環路の閉
塞に至る心配がない。また、前記油は不活性油であり、
化学的に安定しており、安全であり、かつ長期運転に於
いても管路を腐食する様な心配がない。

【００２６】

【作用効果の説明】上記不凍液の粘度は、シリコーン油
を用いる場合、３０００ｃＳｔ程度以上になると、熱伝
達係数が低下して熱交換器が大型になる。また、流れが
悪くなり搬送動力が大きくなる。また、４ｃＳｔ程度以
下になると、溶液のコストが増大したり、引火点が下る
ので、４〜３０００ｃＳｔの範囲が好ましい。

【００２７】シリコーン油に、水と共に、界面活性剤を
混入し、或いは弗素系不活性油またはシリコーン油に界
面活性剤と共に吸水性物質を混入し、油中に細かい水滴
を５０％程度多数に分散させる。

【００２８】後者の場合、吸水物質の吸水倍率を１００
倍以下に抑えると、氷の搬送に好適であることが、実験
により確認されている。

【００２９】そして、本発明によれば、粘度、表面張
力、吸水倍率いずれも適当で効果的に蓄熱および伝熱を
おこなうことができる。

【００３０】また、後者は別途提案（特願平４−２８７
７２０号参照）のエネルギー供給センターに於ける冷熱
蓄熱並びに冷熱輸送方法及びその装置の冷熱媒としても
適切なものとなる。

【００３１】

【実施例】以下本発明の実施例を説明する。

【００３２】本発明において、非水溶性不凍液には、低
粘度（２５℃において、０．４〜３０００ｃＳｔ）、低
凝固点をもつシリコーン油（例えば東芝ジメチルシリコ
ーン油ＴＳＦ−４５１−５）、又は、弗素系不活性液体
（例えばロフリナートＰＦ５０８０）を用いる。

【００３３】シリコーン油を用いる場合、粘度が３００
０ｃＳｔ程度以上になると、熱伝達係数が低下して大型
の熱交換器が必要になる。また、流れが悪くなり搬送動
力が大きくなる。また、４ｃＳｔ程度以下になると、溶
液のコストが増大したり、引火点が下って安全性が保て
なくなるからである。

【００３４】一般に、液体の管内乱流伝達率と液体の物
性との関係は、式１で表される。

【００３５】 上式で、α：熱伝達係数 λ：熱伝導度 ρ：密度 Ｃｐ：比熱 μ：粘度（ｃＳｔ） 上式から、粘度μの値に対し、熱伝達率αは、表１のよ
うに変化する。

【００３６】 また、管路の流体抵抗すなわち流体損失（Ｈ）に及ぼす
粘度μの影響は、式２及び表２で表される。

【００３７】Ｒｅ＝ｄｕρ／μ・・・式２ 上式で、Ｒｅ：レイノルズ数 ｄ：管径 ｕ：流速 これらの関係から、粘度の上限は、３０００ｃＳｔ程度
に抑える必要がある。

【００３８】上記の非水溶性不凍液に対し、水を混入さ
せてエマルジョンを作り、シャーベット状の氷を作るた
めに界面活性剤を用いる。このとき、シリコーン油の場
合は、シリコーン系の活性剤（例えば東芝ポリエーテル
変性シリコーン油、東芝アミノ酸変性シリコーン油、或
いは弗素系界面活性剤）を、最高５重量％を混入する。
また、分散剤としてアニオン系或いは非イオン系の界面
活性剤を添加するとよい。また、吸水性物質を混入して
コロイド溶液とする場合には、分散剤としてアニオン系
或いは非イオン系の界面活性剤を用いる。

【００３９】他方、冷熱媒としては、従来の不凍液（例
えばエチレングリコール３５重量％水溶液）と同程度の
熱伝達率を得るのが好ましい。

【００４０】ここで、弗素油、低粘度シリコーン油、こ
れらの油と水との混合物及び従来のエチレングリコール
水溶液について式１より得られた熱伝達率を表３で示
す。

【００４１】 上表から、エチレングリコール水溶液と同程度の熱伝達
率を得るためには、油中に５０重量％程度の水を混入さ
せたエマルジョンまたはコロイドにする必要がある。

【００４２】図１には、本発明を実施した冷熱媒を用い
た氷蓄熱装置の一例の回路図が示されている。

【００４３】この氷蓄熱装置は、冷凍機装置１、蓄熱装
置１０及び冷熱供給装置２０で構成されている。

【００４４】前記冷凍機装置１は、圧縮機２、凝縮機
３、冷却塔４、膨脹弁５、熱交換器６及びこれらを接続
する回路７、８からなっている。

【００４５】前記蓄熱装置１０は、熱交換器６、蓄熱槽
１１、循環ポンプ１２及びこれらを接続する回路１３か
らなっている。

【００４６】前記冷熱供給装置２０は、蓄熱槽１１、循
環ポンプ２１、冷房負荷２２及びこれらを接続する回路
２３からなっている。

【００４７】このように構成され、冷熱媒Ａは、回路１
３、２３を循環する。その冷熱媒Ａは、熱交換器６で０
℃以下に冷却され、蓄熱槽１１に蓄熱される。この蓄熱
温度は、冷熱媒Ａに用いているシリコーン油、弗素油の
凝固点が低いので、−２０℃程度まで可能である。

【００４８】また、このような低温においても、弗素油
は−５４℃で粘度７ｃＳｔ、ジメチルシリコーン油は、
−２０℃で粘度１０ｃＳｔ程度と、油の粘度変化は非常
に小さいので、前記のような低温蓄熱が可能である。

【００４９】この蓄熱量は、−２０℃程度までの蓄熱運
転を行った場合、従来装置と比較すると、氷充填率一定
として、約２０％強の増となる。

【００５０】また、油の選定は、シリコーン油の場合比
重が氷の比重０．９２と略同一のものが得られるので、
油と氷の二相流が均一流となる利点がある。

【００５１】また、弗素油の場合は、比重が１．８と重
いので、油と氷とを分離して氷だけを選択して使用する
のに好都合である。

【００５２】本氷蓄熱装置の運転制御は、０℃以下でも
粘度変化が小さく、シャーベット状の氷が得られるなど
の理由から、広い温度範囲にわたり冷凍能力が安定して
いるので簡単である。

【００５３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００５４】（１） 低温シャーベット状の氷を汎用の
冷凍機で容易に作れる。

【００５５】（２） 蓄熱槽のＩＰＦを高めることがで
きる。

【００５６】（３） 熱伝達率の高い装置になる。

【００５７】（４） 低温蓄熱により、蓄熱容量を高め
ることができる。

【００５８】（５） 冷熱媒配管系の小径化、搬送動力
の低減が図れる。

【００５９】（６） 運転制御が容易、配管腐食の心配
がなく、運転、保守が簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施した冷熱媒を使用した氷蓄熱装置
の一例を示す回路。

【符号の説明】

Ａ・・・冷熱媒 １・・・冷凍機装置 ２・・・圧縮機 ３・・・凝縮機 ４・・・冷却塔 ５・・・膨張弁 ６・・・熱交換器 ７、８、１３、２３・・・回路 １０・・・蓄熱装置 １１・・・蓄熱槽 １２、２１・・・循環ポンプ ２０・・・冷熱供給装置 ２２・・・冷房負荷

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非水溶性不凍液を冷熱媒とする氷蓄熱装
   置の該非水溶性不凍液の粘度を２５℃において０．４〜
   ３０００ｃＳｔとしたことを特徴とする氷蓄熱装置用冷
   熱媒。
2. 【請求項２】 非水溶性不凍液に、水と界面活性剤を最
   高で５重量％とを混合し、前記非水溶性不凍液と水との
   エマルジョンとしたことを特徴とする請求項１記載の氷
   蓄熱装置用冷熱媒。
3. 【請求項３】 非水溶性不凍液に、吸水させた粒状の吸
   水性物質を混入してコロイド溶液とし、水滴を６０％程
   度分散させたことを特徴とする請求項１記載の氷蓄熱装
   置用冷熱媒。
4. 【請求項４】 吸水性物質にイオン性ポリマーなどを用
   い、該吸水性ポリマーの吸水倍率を１００倍以下に抑え
   たことを特徴とする請求項３記載の氷蓄熱装置用冷熱
   媒。