JPH065536Y2 - 過冷却水の過冷却状態解除装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は，零℃以下に冷却された過冷却水から微細な氷
を連続的に析出させて氷−水スラリーを製造する過冷却
状態解除装置に係り，特に冷房用の冷熱源を氷の潜熱の
形態で蓄えるようにした空調用氷蓄熱装置に好適に適用
される製氷用過冷却状態解除装置に関する。

〔考案の背景〕

空調用蓄熱水槽に氷を蓄えることによって冷熱を潜熱の
形態で蓄熱するいわゆる氷蓄熱方式には製氷法の相違に
より蓄える氷の形態がソリッド状（氷塊状）のものとリ
キッド状（微細な氷が水に懸濁した状態）のものがあ
る。両者の方式にはそれぞれ得失があるが，後者のいわ
ゆるシャーベット状の氷ー水スラリーを蓄熱水槽に蓄え
る方式として，出願人は既に特願昭62-47770号，特願昭
62-62681号，特願昭62-102994号，特願昭62-228800号，
特願昭62-245930号，実願昭62-30383号，実願昭62-1811
76〜８号，実願昭62-192012等において，零度℃以下に
冷却された過冷却水を連続流れとして製造し，この連続
流れの過冷却水の過冷却状態を瞬時に解除することによ
って微細な氷が分散した蓄熱に適したリキッドアイスを
製造する発明考案を提案した。

また本考案者らは，特願昭62-271922号において，水と
接触する管壁温度が−5.8℃以下とはならない温度（た
だし零度℃以下）に伝熱管を冷却すれば，水流のレイノ
ルズ数（つまり流速や管径），冷却される前の水温，冷
却後の水温等とは無関係に過冷却水が連続的に製造でき
ることを明らかにした。

水冷却器で過冷却水を連続して作り，この過冷却水の連
続流れから微細な氷を析出させて蓄熱水槽で蓄える場合
に，水冷却器の伝熱管から過冷却水を一たん大気中に吐
出させ，その落液過程または流れ過程でその過冷却状態
を解除することが有利である。すなわち，過冷却水の連
続流れから氷−水スラリーの連続流れに変換するのであ
る。このための装置を過冷却状態解除装置と呼ぶ。

この装置において，過冷却状態が良好に解除されないま
ま蓄熱水槽に供給されると，蓄熱水槽内の水を水冷却器
に循環したり負荷側の熱交換器に循環したりするさい
に、その管路内またはポンプ内で凍結を起こす原因とな
る。したがって，過冷却水の連続流れからその過冷却状
態が完全に解除された氷−水スラリーを製造できる過冷
却状態解除装置が必要となる。しかも，この装置は，氷
が氷塊に成長して流れを止めたりすることのないような
ものでなければならない。つまり，微細な氷が分散した
状態の氷−水スラリーの連続流れが常に形成されると共
にその氷−水スラリーには過冷却水が存在しないような
完全解除の状態になっていなければならない。

〔考案の目的〕

本考案の目的は，このような過冷却状態解除装置に要求
される機能を簡単な構成によって達成することにある。

〔考案の要旨〕

前記の目的を達成せんとする本考案の要旨とするところ
は，零℃以下の過冷却状態にある過冷却水の連続流れを
樋に受け，この樋内を流れる間に微細な氷を析出させて
氷−水スラリーとする過冷却水の過冷却状態解除装置に
おいて，その第１には，流体の流路を構成する樋の内面
を、粗さの異なる少なくとも二種類の材料で構成したこ
と，第二には，流体の流路を構成する樋の内面を，親水
性材料と疏水性材料で構成したこと，そして第三には，
該樋内を流れる流体の経路の一部に強制冷却ゾーンを形
成したこと，を特徴とする過冷却水の過冷却状態解除装
置である。

すなわち本考案は、過冷却水の連続流れを樋に受け，こ
の樋内を連続して流れる間に過冷却状態を十分に解除で
きる時間と機会を与えて微細な氷を析出させ，これによ
って氷−水スラリーを連続的に作り出す樋型の過冷却状
態解除装置に係るものであり，そのさい，樋内で生成し
た微細な氷が後続して流れて来る過冷却水の流れと接触
する機会を与え易くし，この既析出の微細氷が過冷却水
解除の引き金（トリガー）として機能し易くなるよう
に、該氷が樋内の流れ過程で一時的にその流れの速度を
落とすか一時的に滞留するようにしたものである。つま
り，樋内面の表面状態を部分的に変えるかまたは温度を
部分的に変えることによってそこを通過する氷が一時的
に流れの速度を落とすか一時的にそこに滞留するように
したものである。

〔実施例〕

第１図は，本考案者らの開発に係る空調用氷蓄熱装置全
体の代表例を示したものであり，特に冷房シーズンにお
いて蓄熱水槽１内にシャーベット状の氷を蓄えることに
よって大量の冷熱を蓄えるようにしたものである。製氷
は例えば夜間電力を利用して行ない，蓄えられた冷熱
（つまり零℃近辺の水）が建物内の空気調和器群Ｅ等に
循環供給される。本考案はこのようなシャーベット状の
氷を過冷却水の連続流れから製造するさいの過冷却状態
解除装置に特徴があるが，まず第１図の装置全体を説明
すると，１は蓄熱水槽，２は水冷却器であり、蓄熱水槽
１内の水は循環ポンプ３によって水冷却器２に供給され
る。すなわち、循環ポンプ３によって蓄熱水槽１内の水
の一部が水供給管路４を経て水冷却器２に連続供給さ
れ，ここで零度℃以下に冷却された過冷却水の連続流れ
が製造される。この過冷却水の連続流れは伝熱管出口５
から大気中に吐出される。この落下の過程で過冷却状態
解除装置を設置する。図示の例ではこの過冷却状態解除
装置は一次樋６と二次樋６′からなる二段傾斜樋が使用
されている。

水冷却器２としては、例えば多数本の伝熱管８の内側に
水を通水するようにしたシエルアンドチューブ型熱交換
器を使用することができる。すなわち，シエル９内を仕
切り壁10,11で仕切って冷却室12を構成し，この冷却室1
2内に多数本の伝熱管８を貫通させ，この伝熱管８内に
通水すると共に管外の冷却室12に冷媒を供給して管内を
連続通水する水を零度℃以下に冷却する。そのさい，冷
却室12をヒートポンプの蒸発器として機能させるように
冷凍サイクルを構成する。すなわち，圧縮機13、凝縮器
14、膨張弁15および該冷却室12の蒸発器との間を冷媒配
管し，冷却室12で蒸発する冷媒の圧を一定に維持するこ
とによって，各伝熱管８を零度℃以下の一定の温度に冷
却することができる。なお，このような冷凍サイクルに
代えて冷却室12内に冷凍機から所定温度のブラインを供
給する構成としてもよい。既述のように本考案者らは特
願昭62-271922号において，水と接触する管壁温度が−
5.8℃以下とはならない温度（ただし零度℃以下）に伝
熱管８を冷却すれば，水流のレイノルズ数（つまり流速
や管径），冷却される前の水温，冷却後の水温等とは無
関係に過冷却水が連続的に製造できることを明らかにし
た。したがって，冷却器２における伝熱管８の内壁温度
がどの地点でも−5.8℃以下とはならない温度（ただし
零度℃以下）に制御する。このようにして，水冷却器２
内の伝熱管８では凍結を起こすことなく各伝熱管の吐出
口５から過冷却水を連続流れとして取り出すことができ
る。

第２図は，本考案に従う樋型の過冷却状態解除装置の構
成例を示したものである。樋６は一端に流出口７をもつ
単純な外形を有している。この樋６は，流出口７の側を
やや下さがりに傾斜させ、流出口７とは反対側の上流側
に過冷却水の連続流れ16を受けるようにセットされる。
本例では樋６の内面に，幅Ｗをもつ粗面ゾーン17が樋内
流体の流れを横切る方向に間隔を開けて複数本形成して
ある。この粗面ゾーン17以外の樋内面は滑らかな表面を
もつ部分である。すなわち粗さの異なる二種の材料で樋
の内面を構成してある。この樋を構成するには，樋の内
面に粗面材料と滑面材料とを樋の長手方向に交互に並べ
て貼付けるか，滑面材料で構成した樋の内面に粗面材料
を樋の長手方向に間隔をあけて貼付けるか，または粗面
材料と滑面材料の板を交互に樋の長手方向につなぎ合わ
せればよい。このように粗さの異なる二種の材料で構成
する樋の内面は床部分だけでもよいが側壁部分だけ或い
は床部と側壁部の両者とすることもできる。

過冷却水の水流16を樋６内に落とすと，その衝突エネル
ギーが過冷却状態を解除するように作用する。しかし，
その落下位置では樋６が傾斜していることから析出した
微細氷は水と共に次々に下流側に向けて流出するので落
下位置で氷塊に成長することは妨げられる。この落下位
置の樋の内面は滑面にしておき，前記の粗面ゾーン17は
この落下位置よりも若干下流側に形成させておくのがよ
い。落下位置において過冷却状態が不完全解除の状態で
あっても，流出口７に至るまで樋内流路を流れる時間が
存在するので，既に析出した氷片と過冷却状態の水とが
接触する機会がとれ，この氷片が引き金となって残余の
過冷却水から氷を析出させることができるが，一部の過
冷却水はそのまま流出口７から樋側に出るおそれもあ
る。本考案例のように粗面ゾーン17を樋内面に部分的に
形成さておくと，過冷却水を流した場合に粗面は滑面よ
りも氷を付着させるような効果があるので，粗面部分で
微細な氷が一時的に滞留するかその流れの速度を落とす
ようになる。そこに後続の過冷却水が流れ込んでくる
と，その微細氷と過冷却水との接触の機会が増大し，接
触した氷が引き金となって過冷却水の解除が行われる。
したがって，この粗面ゾーン17を樋の長さや傾斜に応じ
て必要な面積分だけ形成させておくと，流出口７からは
完全に過冷却状態が解除された氷−水スラリー18を流出
させることができる。

第３図は、鋭角的な突起を多数形成させた粗面19と滑面
20を樋６の長手方向に交互に形成させた例を示してい
る。この粗面19は料理道具のおろし金のような表面をも
ち，その素材は滑面材料を使用している。この場合に
も，突起部分には微細な氷が停滞もしくはその流れ速度
が低下するようになるので，後続する過冷却水とこの氷
との接触する機会と時間が付与される。

第４図は疏水性材料21と親水性材料22とを樋６の長手方
向に交互に並べ合わせる樋６を構成した本考案の例を示
している。鏡面仕上げをした金属表面や滑らかな樹脂コ
ートを施した面或いは油膜を形成させた面などは一般に
撥水性の疏水面をもつからこれらを疏水性材料21に使用
し，織布，動物の皮，木材，コンクリート，建築用壁材
その他の水に漏れ易い表面を持つ材料で親水性材料面22
を形成させる。これによると，疏水性材料21の面と親水
性材料22の面とでは氷の付着し易さの程度が相違するの
で、やはり氷の一時的滞留または流れ速度の低下が部分
的に発生し，後続の過冷却水の流れと氷との接触機会が
増大し，過冷却状態の完全解除に貢献する。

第５図は，部分的な強制冷却ゾーンを樋６を横切る方向
に形成させた本考案例を示す。すなわち樋６の外面に，
樋６の長さに比べて遥かに短い幅をもつ冷却器23を，樋
６を横切る方向に設置することによって，樋６内を流れ
る流体がこの冷却器23によって形成される強制冷却ゾー
ンを通過するようにしたものである。図示の例では冷却
器23を間隔を開けて二基設置した例を示している、各冷
却器23には冷媒流入管24から冷媒を供給し冷媒流出管25
から排出させる。この冷媒は第１図に示した水冷却器２
のものと共用すことができる。冷却器23によって，この
冷却器23が存在しない樋内位置よりも低温ゾーンを生成
させると，この低温ゾーンを通過するさいに流体には温
度変化が生ずるので，この温度変化が過冷却状態を解除
する引き金として作用する。この温度変化が繰り返し行
われるとそれだけ過冷却状態が解除される機会が多くな
る。

このようにして、本考案によると構造が簡単な樋型の過
冷却状態解除装置を使用して過冷却状態の完全解除が達
成され，この完全解除された氷−水スラリーをシャベッ
ト状で蓄熱槽に蓄えることができることになる。したが
って，この蓄熱槽内の水を水冷却器や負荷側熱交換器群
に循環供給するさいにも，管路内での凍結が防止でき
る。また傾斜樋という流れが途絶えない流体経路の中で
過冷却状態を解除するものであるから，形成した氷ー水
スラリーは次々に下流側に流出するので大きな氷塊が生
成することが防止され，これがその流れを止めたり，ま
た過冷却水を吐出している伝熱管の側に流れを遡って氷
が成長して伝熱管の出口を塞ぐといったことも防止でき
る。

なお，実施例では過冷却水の落下エネルギーを過冷却状
態解のための大きな引き金とする例を示したが、樋自身
に振動を付与したり樋内を流れる流体に超音波を付与し
たりしてさらに過冷却状態解除のためのエネルギーを付
与したうえで本考案の構造を適用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案を適用する氷蓄熱設備の全体例を示す略
断面図，第２図は本考案の過冷却状態解除装置の例を示
す略断面図、第３図は本考案の過冷却状態解除装置の他
の例を示す部分斜視図，第４図は本考案の過冷却状態解
除装置の他の例を示す斜視図，第５図は本考案の過冷却
状態解除装置のさらに他の例を示す斜視図である。 １……蓄熱水槽，２……水冷却器，５……過冷却水吐出
口，６……樋型過冷却状態解除装置，１７……粗面ゾー
ン，１９……鋭角突起をもつ粗面，２０……滑面，２１
……疏水性材料．２２……親水性材料，２３……冷却
器。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】零℃以下の過冷却状態にある過冷却水の連
   続流れを樋に受け，この樋内を流れる間に微細な氷を析
   出させて氷−水スラリーとする過冷却水の過冷却状態解
   除装置において，流体の流路を構成する樋の内面を，粗
   さの異なる少なくとも二種類の材料で構成したことを特
   徴とする過冷却水の過冷却状態解除装置。
2. 【請求項２】零℃以下の過冷却状態にある過冷却水の連
   続流れを樋に受け，この樋内を流れる間に微細な氷を析
   出させて氷−水スラリーとする過冷却水の過冷却状態解
   除装置において，流体の流路を構成する樋の内面を、親
   水性材料と疎水性材料で構成したことを特徴とする過冷
   却水の過冷却状態解除装置。
3. 【請求項３】零℃以下の過冷却状態にある過冷却水の連
   続流れを樋に受け，この樋内を流れる間に微細な氷を析
   出させて氷−水スラリーとする過冷却水の過冷却状態解
   除装置において，該樋内を流れる流体の経路の一部に強
   制冷却ゾーンを形成したことを特徴とする過冷却水の過
   冷却状態解除装置。