JPH06300320A

JPH06300320A - ダイナミック型氷蓄熱装置

Info

Publication number: JPH06300320A
Application number: JP8312893A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Sakuma; 勉佐久間; Kazuo Saito; 和夫齊藤; Toshio Otaka; 敏男大高
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-04-09
Filing date: 1993-04-09
Publication date: 1994-10-28

Abstract

(57)【要約】【目的】スタティック型に比較して氷の充填率が高い
ダイナミック型の同充填率をさらに向上させる。【構成】氷蓄熱槽１の底部に貯溜される冷媒Ｒを冷媒
ポンプ１１により回収し、熱交換器１３によって冷却し
た後、ノズル９より氷蓄熱槽１内に噴出させる。一方、
氷蓄熱槽１の上部に配置した集積パイプ１７の孔２１ａ
からは蓄熱媒体である水Ｍを吸引し、冷媒Ｒ同様ノズル
９より噴出させる。ノズル９は水Ｍを噴出する際、旋回
流を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、蓄熱媒体と、蓄熱媒
体の凝固点以下でかつ蓄熱媒体に溶解しない液体との直
接接触により蓄熱媒体を凍結製氷させ、この製氷物の吸
熱作用を利用するダイナミック型氷蓄熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】氷蓄熱装置を備えた空気調和システム
は、夏期の昼間に集中する冷房用電力需要の一部を夜間
にシフトし、電力の平準化を可能とするものである。つ
まり、割安な夜間電力を利用して蓄冷熱を行い、この蓄
冷熱を昼間の冷房に使用することによって、ユーザは低
ランニングコストによる空調が得られ、一方電力会社は
電力需要のピークシフトにより設備稼働率の向上が図ら
れる。

【０００３】氷蓄熱装置における氷の製氷方法は、大別
すると製氷用熱交換器上で着氷・解氷を行うスタティッ
ク型と、製氷用熱交換器上で着氷させないダイナミック
型がある。

【０００４】一般に、スタティック型は、構造が単純で
ある反面、氷の成長に伴って伝熱抵抗が増加するため、
製氷のための冷却温度を徐々に下げなければならず、効
率の低下を招くといった本質的な欠点があるのに対し、
ダイナミック型ではスタティック型に比較して冷媒の冷
却温度を高くすることができるため、冷凍機の成績係数
が良好となり、氷蓄熱槽内に熱交換器などを配置する必
要がなく、氷の充填率（ＩＰＦ：Ice Packing Factor）
も向上する。

【０００５】ダイナミック型にも種々の方式があるが、
そのーつに低温で比重が１以上の非水溶性液体（冷媒）
と水との直接接触により製氷する方式がある。これは、
蓄熱槽の底部に存在する非水溶性液体を０℃以下に冷却
して蓄熱槽内に配置されたノズルを介して水中に噴出さ
せるものである。この冷却された非水溶性液体の循環に
よって蓄熱槽内ではシャーベット状の氷（氷粒）が生成
され、この氷は浮力によって上昇し、蓄熱槽上部から貯
溜され、浮遊して存在することになる。そして、必要に
応じてこの氷の溶解時における吸熱作用を空調機の冷房
運転に利用する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなダイナミック型氷蓄熱システムにおいては、生成
されて浮遊するシャーベット状の氷では、氷間の圧縮が
ほとんどないため、氷の占める体積率が低く、ＩＰＦが
低い欠点があった。また、非水溶性液体と水との熱交換
はノズルから水中に噴出された非水溶性液体が水中を落
下する間に行われるため、ノズルの位置は、氷蓄熱槽の
底部より熱交換に必要な距離だけ上方でなければならな
い。通常、この落下距離は１ｍ程度必要であり、ノズル
より下方の１ｍ程度までの領域は氷の製氷領域で、ノズ
ルより上方が氷の貯溜領域となる。この場合、氷蓄熱槽
においてノズルより低い領域は、氷の貯溜領域を考慮し
た場合にはデッドスペースとなることを意味し、氷を貯
溜することはできず、ＩＰＦの低い原因になっている。
仮に、ノズルより下方の領域でも氷の貯溜とともに製氷
を行おうとすると、製氷時にノズルが氷結し、噴出孔が
詰まって冷媒の供給ができなくなってしまう。

【０００７】そこで、この発明は、スタティック型に比
較して氷の充填率が高いダイナミック型の同充填率をさ
らに向上させることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明は、第１に、蓄熱媒体と、液温が蓄熱媒体
の凝固点以下で蓄熱媒体より比重が大きくかつ蓄熱媒体
に溶解しない液体とを氷蓄熱槽に収納し、この氷蓄熱槽
に、底部に滞留する液体を回収し途中に冷却手段を備え
た液体回収配管及び、氷蓄熱槽内の蓄熱媒体を回収する
蓄熱媒体回収配管のそれぞれの一端を接続し、これら液
体回収配管及び蓄熱媒体回収配管のそれぞれの他端を、
液体及び蓄熱媒体の両者を氷蓄熱槽内に噴出する噴出手
段に接続し、この噴出手段内に液体及び蓄熱媒体の少な
くともいずれか一方に旋回流を発生させる旋回手段を設
けた構成としてある。

【０００９】第２に、第１の構成において、氷蓄熱槽内
に製氷される氷より小さい径の孔を複数有する蓄熱媒体
回収用の集積パイプを氷蓄熱槽内の上部に設け、この集
積パイプを蓄熱媒体回収配管の一端に接続した構成とし
てある。

【００１０】第３に、蓄熱媒体と、液温が蓄熱媒体の凝
固点以下で蓄熱媒体より比重が大きくかつ蓄熱媒体に溶
解しない液体とを氷蓄熱槽に収納し、この氷蓄熱槽の底
部付近に、液体を回収し途中に冷却手段を備えた液体回
収配管の一端を接続し、液体回収配管の他端を前記氷蓄
熱槽の上部から氷蓄熱槽内の蓄熱媒体中に突出させ、こ
の突出させた端部にほぼ水平方向に延長されるとともに
回転可能な液体噴出手段を設けた構成としてある。

【００１１】第４に、第３の構成において、液体噴出手
段は、製氷開始前には蓄熱媒体中の上方に配置し、製氷
開始後は氷の生成状況に応じて徐々に下降する構成とし
てある。

【００１２】

【作用】第１の構成によれば、氷蓄熱槽の底部に滞留す
る液体は液体回収管から回収されて冷却手段により冷却
されて噴出手段に達し、氷蓄熱槽内の蓄熱媒体は蓄熱媒
体回収管により回収されて噴出手段に達する。噴出手段
においては、液体及び蓄熱媒体の少なくともいずれか一
方が、旋回手段によって旋回流が与えられ、これにより
噴出手段から噴出する液体及び蓄熱媒体がよく混合し、
これら両者間での熱交換が促進される。このため、液体
の蓄熱媒体内における熱交換に必要な移動距離が短縮さ
れて、噴出手段を氷蓄熱槽内の低い位置に配置すること
が可能となり、生成された氷の貯溜領域を下方まで拡大
でき、氷蓄熱槽内での氷の充填率が向上する。

【００１３】第２の構成によれば、氷蓄熱槽内の上層部
から集積パイプによって蓄熱媒体を吸込む際、浮遊して
いる氷粒を同時に吸引し、氷粒間相互が圧縮されて氷の
充填効率が向上する。

【００１４】第３の構成によれば、氷蓄熱槽の底部に滞
留する液体は、液体回収管から回収されて冷却手段によ
り冷却され、蓄熱媒体中に突出した液体回収管の端部を
経てほぼ水平方向に延長された液体噴出手段に達する。
液体噴出手段は、それ自体が回転しながら蓄熱媒体中に
液体を噴出し、これにより液体噴出手段から噴出する液
体が蓄熱媒体に対して均一に供給され、これら両者間で
の熱交換が促進される。

【００１５】第４の構成によれば、製氷が開始される前
の蓄熱媒体を冷却する過程においては、液体噴出手段を
蓄熱媒体中の上方に配置させ、これにより熱交換距離が
長くなって効率よく蓄熱媒体が冷却され、製氷が開始さ
れたら、氷の貯溜領域が下方に拡大されるのに伴い、液
体噴出手段が降下することで、液体噴出手段の噴出孔へ
の着氷が抑制される。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【００１７】図１は、この発明の第１実施例を示すダイ
ナミック型氷蓄熱装置の全体構成を示す斜視図である。
氷蓄熱槽１内は、蓄熱媒体である水Ｍと、蓄熱媒体の凝
固点以下、つまり０℃以下の液温で水Ｍより比重が大き
い非水溶性液体（以下、単に冷媒という）Ｒとで満たさ
れている。氷蓄熱槽１の底部には、下方に突出する傾斜
面１ａが形成され、その下端には冷媒貯溜部３が形成さ
れている。

【００１８】氷蓄熱槽１には、冷媒貯溜部３内の冷媒Ｒ
を回収する液体回収配管としての冷媒回収配管５の一端
が接続される一方、氷蓄熱槽１内上部の水Ｍを回収する
蓄熱媒体回収配管としての水回収配管７の一端が接続さ
れている。これら両回収配管５及び７の他端は、氷蓄熱
槽１下部の側壁に装着されて冷媒Ｒ及び水Ｍの両者を氷
蓄熱槽１内に噴出する噴出手段としてのノズル９に接続
されている。

【００１９】冷媒回収配管５の途中には、冷媒貯溜部３
内の冷媒Ｒを吸引する冷媒ポンプ１１が設けられ、冷媒
ポンプ１１とノズル９との間の冷媒回収配管５には、冷
媒ポンプ１１から送られる冷媒を冷却する冷却手段とし
ての冷凍機を構成する熱交換器１３が設けられている。

【００２０】水回収配管７の途中には、氷蓄熱槽１内の
水を吸引してノズル９に送る水ポンプ１５が設けられて
いる。水回収配管７の氷蓄熱槽１側の端部には、氷蓄熱
槽１内の水を吸い込む水集積パイプ１７が接続されてい
る。水集積パイプ１７は、氷蓄熱槽１上部の水中に位置
するよう配置され、水回収配管７に接続される集積主パ
イプ１９と、集積主パイプ１９に接続される３本の集積
枝パイプ２１とから構成されている。３本の集積枝パイ
プ２１には、氷蓄熱槽１内に製氷される氷より小さい径
の孔２１ａが複数形成されている。

【００２１】ノズル９の内部構造の詳細を図２に示す。
ノズル９は、氷蓄熱槽１の側壁に形成されたノズル取付
孔１ｂに装着されており、ノズルハウジング２３，ノズ
ル本体２５及びノズルキャップ２７から構成されてい
る。ノズルハウジング２３は前面側（蓄熱槽１側）が開
口しており、この開口端部のフランジ２３ａが氷蓄熱槽
１の外壁に装着されている。ノズルハウジング２３の後
面２３ｂには、前記冷媒回収配管５が接続される冷媒入
口２９が中央に、水回収配管７が接続される水入口３１
が外周側に、それぞれ形成されている。

【００２２】ノズル本体２５は、ノズルハウジング２３
内に収納され、そのフランジ２５ａがノズルハウジング
２３の後面２３ｂの内壁に装着されている。この状態
で、ノズル本体２５の内部空間３３に冷媒入口２９が連
通し、ノズル本体２５先端の開口部２５ｂが氷蓄熱槽１
内に開口している。ノズル本体２５の外周側のノズルハ
ウジング２３との間に形成される空間３５には水入口３
１が連通し、この空間３５はノズル本体２５とノズルキ
ャップ２７との間の環状通路３７を通して氷蓄熱槽１の
内部に連通している。

【００２３】ノズルキャップ２７は、そのフランジ２７
ａが氷蓄熱槽１のノズル取付孔１ｂ周縁の外壁に装着さ
れ、フランジ２７ａとノズル本体２５のフランジ２５ａ
との間には、環状通路３７を通して氷蓄熱槽１内に流出
する水に旋回流を発生させる旋回手段としてのスワラ３
９が挟持されている。スワラ３９は、図２のＡ−Ａ断面
図として示す図３のように、環状部材の全周にわたり傾
斜通路３９ａを複数形成したもので、水Ｍが傾斜通路３
９ａを通過することにより矢印Ｂのように旋回流が発生
する。

【００２４】上記のように構成されたダイナミック型氷
蓄熱装置において、冷媒ポンプ１１，水ポンプ１５及び
図示しない冷凍機を駆動すると、冷媒貯溜部３内の冷媒
Ｒは、熱交換器１３で任意の温度に冷却されてノズル９
に送られ、また蓄熱槽１内の水Ｍは、集積枝パイプ２１
の複数の孔２１ａから吸引されてノズル９に送られる。

【００２５】ノズル９内に送られた冷媒Ｒは、ノズル本
体２５の内部空間３３を経て開口部２５ｂから氷蓄熱槽
１内に噴出する。一方、水Ｍは空間３５からスワラ３９
の傾斜孔３９ａを通過することにより、図３の矢印Ｂの
ように環状通路３７内にて旋回流となる。旋回流となっ
た水Ｍは、氷蓄熱槽１の水中内に流出することで、ノズ
ル本体２５から流出する冷媒Ｒを巻き込み、冷媒Ｒも旋
回流となって水Ｍとの間で熱交換を行いながら、氷蓄熱
槽１内で拡散する。そして、このような行程を繰り返
し、水Ｍの温度が０℃に達すると、冷媒Ｒと水Ｍとの接
触により、氷蓄熱槽１内で氷の生成が開始される。

【００２６】このときの製氷は、過冷却された冷媒Ｒの
粒子によるもので、生成される氷は氷粒Ｋとなって浮力
で水中を上昇し、氷蓄熱槽１の上方に浮遊する。この状
態を継続すると、生成された氷粒は氷蓄熱槽１の上方か
ら下方へと徐々に貯溜されてゆくことになる。そして、
この状態でノズル９から噴出する水Ｍは、氷蓄熱槽１の
上部から集積パイプ１７を介して循環させるが、集積枝
パイプ２１に設けた複数の孔２１ａから水Ｍを吸引する
際、集積枝パイプ２１付近に滞留している氷粒を吸い寄
せることになる。これにより、上方から下方へと徐々に
貯溜されてゆく氷粒相互間は圧縮され、氷蓄熱槽１内で
の氷の占める体積率が向上し、ＩＰＦすなわち氷の充填
率が向上することになる。

【００２７】噴出する水Ｍに旋回流を発生させて冷媒Ｒ
にも旋回流を発生させ、これにより冷媒Ｒと水Ｍとの熱
交換が促進されるので、熱交換に必要な冷媒の上下方向
の距離が短縮でき、このためノズル９の位置は、氷蓄熱
槽１の下方でよく、したがって生成される氷の貯溜領域
は下方まで拡大でき、ＩＰＦの向上が図れる。

【００２８】なお、上記実施例では、ノズル９にて水Ｍ
に旋回流を発生させるようにしてあるが、冷媒Ｒに旋回
流を発生させてもよく、また両者に旋回流を発生させる
ようにしてもよい。

【００２９】図４は、この発明の第２実施例を示してい
る。この実施例は、前記図１の第１実施例の構成に対
し、ノズル９より下部の氷蓄熱槽１の底部に冷媒貯溜部
３を覆う遮蔽板４１を配置したものである。遮蔽板４１
は、ノズル９側からノズル９の噴出方向前方側に向けて
下方に下がるよう傾斜しており、少なくともその前方側
端部と氷蓄熱槽１の側壁との間に、隙間４３が形成され
ている。この場合、ノズル９から噴出して水Ｍと熱交換
された冷媒Ｒは、遮蔽板４１に導かれて隙間４３から冷
媒貯溜部３に貯溜される。このとき、冷媒貯溜部３内の
冷媒Ｒは、遮蔽板４１によってノズル９からの水Ｍ及び
冷媒Ｒの噴流から遮蔽されているので、乱されることは
なく、冷媒回収配管５への冷媒Ｒの回収効率が向上す
る。

【００３０】図５は、この発明の第３実施例を示してい
る。この実施例は、前記図１の第１実施例における氷蓄
熱槽１の上部に配置される水Ｍを回収するための集積パ
イプを、集積主パイプ１９にメッシュ４５を接続した集
積パイプ４７としたものである。このような構成によっ
ても、集積パイプ４７から水Ｍを吸引する際、氷粒Ｋを
吸い寄せることができ、製氷される氷粒相互間が圧縮さ
れて氷の充填率が向上する。

【００３１】図６は、この発明の第４実施例を示してい
る。この実施例は、氷蓄熱槽１内に任意の温度に設定さ
れた冷媒Ｒを噴出するノズルを、上下動可能でかつ回転
可能な液体噴出手段としての回転ノズル４９としたもの
である。回転ノズル４９は、水平方向に延長されたパイ
プに複数の噴出孔４９ａが形成されており、氷蓄熱槽１
の上部から水Ｍ中に突出して氷蓄熱槽１内に挿入された
冷媒導入管５３に対し回転可能となっている。冷媒導入
管５３の上端部には、氷蓄熱槽１の底部に設けられる図
示しない冷媒貯溜部に接続され、途中に冷媒ポンプ及び
熱交換器を備えた冷媒回収配管５５が接続される。この
冷媒回収配管５５と冷媒導入管５３とで液体回収配管を
構成している。

【００３２】冷媒導入管５３内には、回転軸５７が挿入
され、回転軸５７の下端は回転ノズル４９に固定される
一方、上端は冷媒導入管５３の上端に装着された回転用
モータ５９に接続され、したがって回転ノズル４９は回
転用モータ５９によって回転する。一方、冷媒導入管５
３の氷蓄熱槽１の外部における外周部には、上下方向に
沿ってラック６１が形成され、このラック６１には、上
下駆動用モータ６３に装着されたピニオン６５が噛合し
ている。このため、回転ノズル４９は上下駆動用モータ
６３により冷媒導入管５３とともに氷蓄熱槽１内で上下
動する。冷媒導入管５３が上下動することから、冷媒回
収配管５５はこの上下動に追随できるようにフレキシブ
ルなものとする必要がある。

【００３３】このような構成のダイナミック型氷蓄熱装
置においては、冷媒ポンプを駆動すると、冷媒貯溜部内
の冷媒が冷媒回収配管５５側に吸引され、吸引された冷
媒は熱交換器によって任意の温度に設定されて冷媒回収
配管５５を経て冷媒導入管５３に達し、回転ノズル４９
の噴出孔４９ａから氷蓄熱槽１内に噴出する。

【００３４】製氷が開始される前、つまり水Ｍを冷却す
る過程においては、回転ノズル４９は氷蓄熱槽１の上部
の水中に位置している。このため、冷媒Ｒは氷蓄熱槽１
の高い位置から噴出されることになり、水Ｍとの熱交換
に必要な距離が充分に維持される。またこのとき、回転
ノズル４９は回転しながら冷媒Ｒを水中の同一平面状に
噴出するため、効率よく熱交換を行うことができる。そ
して、水Ｍが０℃に達して氷粒が生成されると、氷蓄熱
槽１の上方から氷粒が貯溜され、その領域は次第に降下
してくる。この貯溜領域の降下に伴って回転ノズル４９
も降下させることにより、回転ノズル４９の噴出孔４９
ａへの着氷は起こりにくくなり、長時間の製氷運転が可
能となる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明してきたように、第１の発明に
よれば、蓄熱媒体と、液温が蓄熱媒体の凝固点以下で蓄
熱媒体より比重が大きくかつ蓄熱媒体に溶解しない液体
とを噴出手段により蓄熱槽内に噴出し、これら両者のう
ちいずれか一方を旋回手段によって旋回流を発生させる
ようにしたので、噴出手段から噴出する液体及び蓄熱媒
体がよく混合して熱交換が促進され、液体の蓄熱媒体内
における熱交換に必要な移動距離が短縮されて、噴出手
段を氷蓄熱槽内の低い位置に配置することが可能とな
り、生成された氷の貯溜領域を下方まで拡大でき、氷蓄
熱槽内での氷の充填率を向上させることができる。

【００３６】第２の発明によれば、蓄熱媒体を回収する
集積パイプによる吸引効果によって、氷粒間相互が圧縮
されて氷の充填効率をさらに向上させることができる。

【００３７】第３の発明によれば、液温が蓄熱媒体の凝
固点以下で蓄熱媒体より比重が大きくかつ蓄熱媒体に溶
解しない液体を、氷蓄熱槽の上部から蓄熱媒体中に突出
させた回転可能な液体噴出手段から噴出させるようにし
たため、噴出した液体は蓄熱媒体に対して均一に供給さ
れ、これら両者間での熱交換を促進させることができる
結果、第１の発明と同様に氷蓄熱槽内での氷の充填率を
向上させることができる。

【００３８】第４の発明によれば、製氷が開始される前
の蓄熱媒体を冷却する過程においては、液体噴出手段が
蓄熱媒体中の上方に位置するので、熱交換距離が長くな
って蓄熱媒体を効率よく冷却でき、製氷が開始された
ら、氷の貯溜領域が下方に拡大されるのに伴い、液体噴
出手段が降下することで、液体噴出手段の噴出孔への着
氷を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示すダイナミック型氷
蓄熱装置の全体構成を示す斜視図である。

【図２】図１の氷蓄熱装置におけるノズルの拡大された
断面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。

【図４】この発明の第２実施例を示すダイナミック型氷
蓄熱装置の要部の断面図である。

【図５】この発明の第３実施例を示すダイナミック型氷
蓄熱装置の要部の断面図である。

【図６】この発明の第４実施例を示すダイナミック型氷
蓄熱装置の要部の断面図である。

【符号の説明】

Ｍ水（蓄熱媒体）Ｒ冷媒（液体）１氷蓄熱槽５冷媒回収配管（液体回収配管）７水回収配管（蓄熱媒体回収配管）９ノズル（噴出手段）１３熱交換器（冷却手段）１７水集積パイプ２１ａ孔３９スワラ（旋回手段）４９回転ノズル（液体噴出手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄熱媒体と、液温が蓄熱媒体の凝固点以
下で蓄熱媒体より比重が大きくかつ蓄熱媒体に溶解しな
い液体とを氷蓄熱槽に収納し、この氷蓄熱槽に、底部に
滞留する液体を回収し途中に冷却手段を備えた液体回収
配管及び、氷蓄熱槽内の蓄熱媒体を回収する蓄熱媒体回
収配管のそれぞれの一端を接続し、これら液体回収配管
及び蓄熱媒体回収配管のそれぞれの他端を、液体及び蓄
熱媒体の両者を氷蓄熱槽内に噴出する噴出手段に接続
し、この噴出手段内に液体及び蓄熱媒体の少なくともい
ずれか一方に旋回流を発生させる旋回手段を設けたこと
を特徴とするダイナミック型氷蓄熱装置。
【請求項２】氷蓄熱槽内に製氷される氷より小さい径
の孔を複数有する蓄熱媒体回収用の集積パイプを氷蓄熱
槽内の上部に設け、この集積パイプを蓄熱媒体回収配管
の一端に接続したことを特徴とする請求項１記載のダイ
ナミック型氷蓄熱装置。
【請求項３】蓄熱媒体と、液温が蓄熱媒体の凝固点以
下で蓄熱媒体より比重が大きくかつ蓄熱媒体に溶解しな
い液体とを氷蓄熱槽に収納し、この氷蓄熱槽の底部付近
に、液体を回収し途中に冷却手段を備えた液体回収配管
の一端を接続し、液体回収配管の他端を前記氷蓄熱槽の
上部から氷蓄熱槽内の蓄熱媒体中に突出させ、この突出
させた端部にほぼ水平方向に延長されるとともに回転可
能な液体噴出手段を設けたことを特徴とするダイナミッ
ク型氷蓄熱装置。
【請求項４】液体噴出手段は、製氷開始前には蓄熱媒
体中の上方に配置し、製氷開始後は氷の生成状況に応じ
て徐々に下降する構成としたことを特徴とする請求項３
記載のダイナミック型氷蓄熱装置。