JPH07208774A - 氷蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷却効率が優れＩＰＦが向上し、槽内の冷水
が効率よく撹拌されて温度分布がなく均一な解氷ができ
るとともに、製造コストを低減できる氷蓄熱装置を提供
する。 【構成】 円筒状の氷蓄熱槽１内に製氷管５を、水の流
入管３の貫入面１ａから対向する面１ｂにかけてその流
入管３の周りにスパイラルコイル状に配装したうえ、そ
の対向する面１ｂ側から流入管３の面１ａにかけてスパ
イラルコイル状に逆向きにかつ前記スパイラルコイル状
製氷管５と交互になるように配装して、冷媒の供給管８
および冷媒の排出管９を水の流入管３と同じ面１ａに設
けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主として氷蓄熱式冷
房システムに使用するための氷蓄熱装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、冷房機器の普及に伴ってとくに夏
場の昼間の電力消費量が増加の一途を辿っている。そこ
で、そのような一時期における電力消費のピーク負荷を
低減するために、電力消費量の少ない夜間に、電力を使
用することにより製氷して冷熱を蓄えておき、電力消費
量の増加する昼間に、解氷して蓄えた冷熱を利用して冷
房機器を運転する氷蓄熱式冷房システムが採用されてい
る。こうした冷房システムは、現在、主に大型ビルや地
域冷暖房設備で採用されている。

【０００３】上記のような氷蓄熱式冷房システムには、
アイスオンコイル型の氷蓄熱槽が一般に用いられている
が、この氷蓄熱槽は、内部に多数の製氷管を配管すると
ともに、槽内に多量の冷水を貯留したもので、夜間の氷
蓄熱時に冷凍機ユニットを介して冷媒を製氷管内に循環
させ、製氷管の周囲に着氷させる一方、昼間の冷房機器
の運転時には解氷しながら冷却する水槽内の冷水を冷房
機器に循環させる構造からなる。しかし、この種の氷蓄
熱槽では、とくに製氷時および解氷時に槽内の冷水に温
度分布が上下方向に生じやすいため、製氷管の周囲に均
一に製氷させたり、また製氷させた氷を均一に解凍させ
たりすることが非常に難しく、例えば氷が局部的にブリ
ッジングしたりブロッキングしたりして氷の表面積が減
り、所定の冷熱取出速度が得られないことがあった。

【０００４】従来、上記種類の氷蓄熱槽内に配装される
製氷管は、図９に示すように、直管を槽内の両側でＵ字
状に屈曲させて連続させた、いわゆる蛇管３４を用いた
ものが一般的であり、また氷蓄熱槽３１は上方を開放し
た開放型が一般的で、氷蓄熱槽３１内への水の流入口３
２と氷蓄熱槽３１からの水の流出口３３とは、対向する
面に別々に設けられていた。なお、上記のような蛇管状
の製氷管３４を備えた氷蓄熱装置は、特開平４−３５６
６３７号公報に記載されている。

【０００５】そのほか、渦巻状の製氷管を備えた氷蓄熱
装置が、特開平３−６７９４０号公報に記載されてい
る。この装置は、対をなす多数本の渦巻状の製氷管群を
上下方向に所定ピッチで交互に配装し、各製氷管群の内
端と外端とをそれぞれ対応するヘッダに接続して、一方
の製氷管群には内端側ヘッダから冷媒を流入させ、他方
の製氷管群には外端側ヘッダから冷媒を流入させること
により、氷蓄熱槽内の製氷管群の中心部と製氷管群の外
方とから同時に着氷させようとするものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た公報に記載の各氷蓄熱装置では、次のような点で改良
の余地がある。

【０００７】前者（特開平４−３５６６３７号）の場
合： 氷蓄熱槽が開放型であるので冷却効率が悪く、また
氷蓄熱槽が直方体形状であるために、とくに隅角部に製
氷管を配置しにくく、それらの隅角部分が非製氷空間と
なるために、ＩＰＦ（ice packing factor：氷結部の容
積／氷蓄熱槽内の水の容積）が５０％程度と非常に低
い。

【０００８】 氷蓄熱槽を複数個設置する場合に、積
み重ねて設置するのが困難なため、広い設置スペースを
要する。

【０００９】 循環冷水の入口と出口が相対向する面
に別々に設けられているので、加工点数が多くて製造コ
ストが高くなるうえに、循環冷水が氷蓄熱槽内を短絡的
に通過（ショートパス）しやすくなるので、製氷管と循
環冷水との接触が偏り、槽内の循環冷水の冷却が不均一
になり、冷却効率が悪い。

【００１０】 直管部分とＵ字状屈曲部分とで管同士
の間隔が異なり、とくにＵ字状屈曲部分でブリッジング
を起こしやすい。

【００１１】後者（特開平３−６７９４０号）の場合
に： 前者に比べて非製氷空間が小さいのでＩＰＦは増加
するが、対をなす製氷管群を渦巻状に巻装する必要があ
るため、加工が難しく、しかも手作業で渦巻状にするこ
とはできないから、巻装時に特殊な治具を使わなければ
ならない。

【００１２】 氷蓄熱槽の内周面付近から中心部にか
けて製氷管を渦巻状に屈曲させることになるので、中心
部に近づくにつれて製氷管の屈曲率（角度）が次第に大
きく（急に）なり、巻径をあまり小さくできない。この
ため、氷蓄熱槽内における製氷管の収容効率が悪い。

【００１３】 同一面内で製氷管を渦巻状に屈曲させ
るので、屈曲率をあまり大きくできず、したがって氷蓄
熱槽の中心部に非製氷空間ができ、その空間部分がＩＰ
Ｆを低下させることになる。

【００１４】 冷媒の出入り口についての記載はある
が、循環冷水の入口と出口に関する記載は一切ない。

【００１５】この発明は上述の点に鑑みなされたもの
で、冷却効率が優れＩＰＦが向上し、槽内の冷水が効率
よく撹拌されて温度分布がなく均一な解氷ができるとと
もに、製造コストを低減できる氷蓄熱装置を提供するこ
とを目的としている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ためにこの発明の氷蓄熱装置は、a)氷蓄熱槽内に多数の
製氷管を配管し、製氷時は該製氷管に冷媒を通して氷蓄
熱槽内の水を氷結して製氷管の外表面に着氷させ、冷熱
取出時はそれを解氷させながら前記氷蓄熱槽内の水を冷
房設備を経由して循環させる氷蓄熱式冷房システムなど
に用いる氷蓄熱装置において、b)前記氷蓄熱槽を筒状の
密閉槽に形成してその一方の面に循環冷水の流入口を対
向する他方の面に向けて設けるとともに、その流入口と
同じ面に循環冷水の流出口を設け、c)前記氷蓄熱槽内に
製氷管を、前記流入口の面から対向する面にかけてその
中心軸線の周りにスパイラルコイル状に配装したうえ、
その対向する面側から前記流入口の面にかけてスパイラ
ルコイル状に逆向きにかつ前記スパイラルコイル状製氷
管と交互に位置するように配装して、冷媒の入口および
出口を循環冷水の流入口と同じ面に設けている。

【００１７】請求項２記載のように、d)前記氷蓄熱槽を
円筒状に形成し、スパイラルコイル状の前記製氷管を口
径の異なる二重又はそれ以上の重層構造にして、e)循環
冷水の前記流入口と同じ面に設けた冷媒の入口側ヘッダ
ーと出口側ヘッダーに、前記スパイラルコイル状製氷管
群の一端と他端をそれぞれ接続することが好ましい。

【００１８】請求項３記載のように、f)前記氷蓄熱槽の
複数個を、循環冷水の流入口・流出口および冷媒の出口
・入口の向きを揃えて横置きにし、上下方向に積み上げ
て設置することもできる。

【００１９】

【作用】上記の構成を有するこの発明の氷蓄熱装置によ
れば、製氷管を氷蓄熱槽内の長手方向に沿ってスパイラ
ルコイル状に配装することによって、製氷管を無理なく
屈曲させられるとともに、氷蓄熱槽内にスパイラルコイ
ル状の製氷管を効率よくかつ均等に収容することができ
る。これにより、氷蓄熱槽内において製氷管の配装され
ない空間を最小限に抑えることが可能になるから、ＩＰ
Ｆがかなり向上する。また、氷蓄熱槽の一方の面から冷
却用の循環冷水を対向する面に向けて槽内に流入させ、
流入口と同一面に設けられている流出口から流出させる
ことによって、槽内で一種の強制対流が生じる。このた
め、槽内の水が満遍なく、しかもほぼ均等に循環するか
ら、槽内の水に温度分布がほとんど起こらず、したがっ
て、昼間の解氷時には、槽内の対流水が製氷管上の氷の
周囲の水を十分に撹拌させることになり、熱交換効率が
向上し、均一な解氷が可能になる。

【００２０】また、氷蓄熱槽の一つの面から対向する面
に向かうスパイラルコイル状製氷管と戻りの逆向きのス
パイラルコイル状製氷管とが交互に配置されることによ
り、氷蓄熱槽の一端（一つの面）から他端（対向する他
の面）にかけて製氷管による製氷能力がほぼ均等になる
ため、製氷管の周囲に着氷する氷の厚みがほぼ均一にな
る。つまり氷蓄熱槽内の製氷管を通過する冷媒の冷却能
力は行きが高く戻るに従って徐々に低下してくるが、行
きと戻りのスパイラルコイル状製氷管が交互に配置され
ているため、行きと戻りの一組の製氷管による製氷能力
は平均化され、どの位置でもほとんど変わらなくなるか
ら、氷蓄熱槽の一端から他端にかけて着氷する氷の厚み
がほぼ均等になる。

【００２１】さらに、氷蓄熱槽の一つの面に循環冷水の
出入り口と冷媒の出入り口とが設けられることにより、
氷蓄熱槽の製作が容易になる。また複数個の氷蓄熱槽を
横向きにして上下方向や横方向に並べて設置する際に、
循環冷水用と冷媒用の種類の異なる複数本の配管を最小
限の長さで接続することができ、それらの接続作業も簡
単におこなえる。

【００２２】請求項２記載の装置では、氷蓄熱槽内に口
径の異なる多重のスパイラルコイル状製氷管を無駄なく
充填できるために、製氷能力が大幅に高まってＩＰＦが
増大する。また、氷蓄熱槽の内周面と最も外側の製氷管
との間隔、および内外の製氷管同士の間隔をそれぞれ一
定にできるため、製氷管理が容易になり、ブリッジング
が起こりにくくなる。

【００２３】請求項３記載の装置では、複数の氷蓄熱槽
を上下方向に積み上げて設置できることから、最小限
（一個分の氷蓄熱槽）の設置スペースで、製氷能力を複
数倍に高めることができる。

【００２４】

【実施例】以下、この発明の氷蓄熱装置の実施例を図面
に基づいて説明する。

【００２５】図１は氷蓄熱装置の実施例を概略的に示す
側方視断面図、図２は図１のII−II線断面図、図３は図
１の氷蓄熱装置のブロック回路図、図４は氷蓄熱槽内の
水の流れを示す模式図である。

【００２６】図１および図２に示すように、氷蓄熱槽１
は円筒状の密閉式水槽からなり、氷蓄熱槽１の周囲は断
熱材層２により被覆されている。本例では、氷蓄熱槽１
は横置きで、その片面１ａの中心部から循環冷水の流入
管３が槽１内に貫設され、流入管３の端部の噴出口３ａ
は氷蓄熱槽１の対向する面１ｂに向けてある。また、流
入管３の貫設した面と同一の面１ａに、流入管３からわ
ずかに位置をずらせて流出管４が接続されている。

【００２７】氷蓄熱槽１内において、その一面１ａから
他方の面１ｂにかけて流入管３の周囲に、スパイラルコ
イル状に連続する製氷管５が配装されている。本例で
は、製氷管５は、大口径のスパイラルコイル状製氷管５
ａと小口径のスパイラルコイル状製氷管５ｂとからなる
二重構造で、各スパイラルコイル状の製氷管５ａ・５ｂ
は、図１のようにそれぞれ、面１ｂに向かう製氷管５ａ
₁・５ｂ₁と面１ｂから面１ａに向かう逆向きの製氷管５
ａ₂・５ｂ₂とが交互に位置するように構成されている。
これは、製氷管５内を流れる冷媒（ブラインやフレオン
など）の冷却能力がその入口から出口にかけて徐々に低
下してくるため、行き５ａ₁・５ｂ₁と戻り５ａ₂・５ｂ₂
の製氷管を対にして組み合わせることにより、氷蓄熱槽
１の長手方向に沿って製氷管５による冷却能力を均等に
するためである。

【００２８】こうして製氷管５の入口側端部と製氷管５
の出口側端部とを、それぞれヘッダ６とヘッダ７に接続
し、入口側ヘッダ６には冷媒供給管８を、また出口側ヘ
ッダ７には冷媒排出管９をそれぞれ面１ａを貫通して接
続している。

【００２９】氷蓄熱槽１を含む氷蓄熱装置１０の全体回
路は、図３のように、循環冷水の流出管４の一端が冷房
設備１１に接続され、その途中に循環ポンプ１２が介設
されている。また流入管３の一端も冷房設備１１に接続
され、冷房設備１１を通過する間に温度の上昇した循環
冷水が氷蓄熱槽１内に流入する。さらに、冷媒排出管９
の一端は冷凍ユニット１３に接続され、その途中に循環
ポンプ１４が介設されている。また冷媒供給管８の一端
も冷凍機ユニット１３に接続され、冷凍機ユニット１３
で圧縮液化された冷媒が製氷管５内に供給される。

【００３０】次に、上記した構成からなる実施例の氷蓄
熱装置１０について、その使用態様を説明する。

【００３１】図３において、製氷は通常、夜間電力を利
用して夜間の２２時から翌朝の８時頃までの１０時間で
行われる。この製氷時には、氷蓄熱槽１内の水の循環を
中止した状態で、冷凍機ユニット１３を運転して冷媒を
製氷管５内に循環させることにより、製氷管５の外表面
の周囲に着氷する。

【００３２】一方、解氷は、冷熱の必要な昼間の冷房設
備１１の使用時に、４〜９時間ほどかけて行われる。こ
の解氷時には、冷房設備１１を運転するとともに、循環
ポンプ１２を作動し、槽１内の冷水を冷房設備１１へ送
った後、槽１内へ戻して循環させる。このときに、流出
管４から送くられる冷水の温度は、０〜３℃であり、逆
に冷房設備１１を経由して流入管３から槽１内に戻る冷
水の温度は、通常７〜８℃前後である。また流入管３か
ら槽１内に流入する循環水は、図４のように対向する面
１ｂに当たって流れの向きが変更され、流出管４の入口
へ向かって強制対流になって、槽１内の冷水をほぼ満遍
なく撹拌する。これにより、槽１内の冷水の温度分布が
ほとんど無くなるため、製氷管５の外表面に付着してい
る氷が均一に解氷されていく。

【００３３】図５は別の実施例にかかる氷蓄熱装置１０
の全体回路を示すもので、同図のように、上記実施例
（図３）における冷房設備１１と氷蓄熱槽１の間に、熱
交換器１５が介設されている。冷房設備１１を通過する
間に温度の上昇した冷水を熱交換器１５に流入させると
ともに、氷蓄熱槽１からの循環冷水を熱交換器１５に流
入させることにより、冷房設備１１からの温度の上昇し
た冷水を氷蓄熱槽１からの循環冷水との間で熱交換を行
わせるものである。これにより、つまり、氷蓄熱槽１か
らの循環冷水により熱交換器１５を介して間接的に冷却
することにより、冷房設備１１へ冷水を供給する構造に
してある。

【００３４】図６は氷蓄熱装置の別の実施例を示す正面
図である。本実施例の装置１０’が上記実施例と異なる
ところは、氷蓄熱槽１を上下方向に支持脚２１、２２を
用いて積み重ねて設置したことである。すなわち、下段
の氷蓄熱槽１Ｂを支持脚２１にて設置し、その上に上段
の氷蓄熱槽１Ａを支持脚２２を介して支持している。そ
して、上下の氷蓄熱槽１Ａ・１Ｂの、循環冷水の入口
３'Ａ・３'Ｂ同士を接続管２３で接続し、循環冷水の出
口４'Ａ・４'Ｂ同士を接続管２４で接続するとともに、
冷媒の入口８'Ａ・８'Ｂ同士を接続管２５で接続し、冷
媒の出口９'Ａ・９'Ｂ同士を接続管２６で接続してい
る。この状態で、接続管２３と流入管３とを、接続管２
４と流出管４とを、接続管２５と冷媒供給管８とを、接
続管２６と冷媒排出管９とを、それぞれ接続している。
なお、氷蓄熱槽１は上下方向に３段以上積み重ねたり、
あるいは上下方向に複数段積み重ねた氷蓄熱槽１を循環
冷水の入口３’や冷媒の入口８’などの向きを揃えて横
方向に複数組並べたりすることもできる。

【００３５】図７は氷蓄熱装置のさらに別の実施例を示
す正面図である。上記実施例（図６）では上下２槽の氷
蓄熱槽１Ａ・１Ｂの循環冷水の入口３'Ａ・３'Ｂおよび
出口４'Ａ・４'Ｂをそれぞれ並列に接続したが、本例で
は、図７のように直列に接続している。すなわち、一方
の氷蓄熱槽１Ａにおける循環冷水の出口４'Ａと他方の
氷蓄熱槽１Ｂの循環冷水の入口３'Ｂとを接続管２７で
接続し、氷蓄熱槽１Ｂの循環冷水の出口４'Ｂを流出管
４を介して冷房設備１１（図３）又は熱交換器１５（図
５）に、また冷房設備１１（図３）又は熱交換器１５
（図５）を氷蓄熱槽１Ａの循環冷水の入口３'Ａに流入
管３を介してそれぞれ接続している。上記した図６の実
施例と共通する構成部材については、同一の符号を用い
て図示し、説明を省略する。なお、本例では、氷蓄熱槽
１Ａ・１Ｂを横に並べて設置しているが、図６の氷蓄熱
装置１０’と同様に上下方向に積み重ねて設置できるこ
とはいうまでもない。とくに、本例の装置の場合には、
循環冷水を２槽の氷蓄熱槽１内に順番に通過させるため
に、循環冷水の冷却温度をかなり低くできる。

【００３６】図８は氷蓄熱装置のさらに別の実施例を示
す、図２に対応する断面図である。本例の場合、氷蓄熱
槽１’を正四角筒状に形成するとともに、この形状に対
応して内外二重の製氷管５ａ’・５ｂ’も、図８のよう
に正面より見て略正四角形のスパイラルコイル状に配装
している。その他の構成については、上記の実施例と共
通するので、共通する構成部材には同一の符号を付して
図示し、説明を省略する。

【００３７】上記に本発明の氷蓄熱装置の実施例を示し
たが、本発明は以下のように実施することもできる。

【００３８】 氷蓄熱槽１の一面１ａより貫入する流
入管３を短くし、流入させる水の勢いで強制対流を生じ
させるようにしてもよい。

【００３９】 開口断面が狭い小型の氷蓄熱槽１の場
合には、槽１内に収容される製氷管５を一重のスパイラ
ルコイル状にしてもよい。

【００４０】 氷蓄熱槽１を縦向きあるいは斜めに配
置して使用することもできる。

【００４１】また、本発明を主として氷蓄熱式冷房シス
テムに用いられる氷蓄熱装置として説明しているが、次
のような冷気又は低温を要する技術分野にも適用でき
る。すなわち、ａ) 冷蔵庫の冷気供給用 ｂ) ガスター
ビンの吸気冷却用 ｃ) 低温凝縮器、低温トラップ用に
も適用できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したことから明らかなように、
この発明の氷蓄熱装置には、次のような効果がある。

【００４３】(1) 氷蓄熱槽の内周面と製氷管との間隔あ
るいは内外の製氷管と製氷管の間隔を狭くできるため、
ＩＰＦを６０％以上と従来の装置に比べかなり高くでき
る。氷蓄熱槽内で循環水に強制対流を生じさせるので、
槽内の水が満遍なく、ほぼ均等に循環するから、槽内の
水に温度分布がほとんど発生せず、したがって、昼間の
解氷時には均一な解氷が可能になり、熱交換効率が向上
する。

【００４４】また氷蓄熱槽内の長さ方向に沿って製氷管
による製氷能力がほぼ均等になるため、製氷管の周囲に
着氷する氷の厚みがほぼ均一になる。

【００４５】さらに製氷管のスパイラルコイル状の屈曲
形成が容易で、しかも循環冷水の出入り口および冷媒の
出入り口が同一面に設けられているので、氷蓄熱槽の製
作が容易で、装置全体の構造も簡単で、製造コストを低
減できる。

【００４６】(2) 請求項２記載の装置では、氷蓄熱槽内
に口径の異なる多重のスパイラルコイル状製氷管を無駄
なく充填できるので、製氷能力が一層上昇してＩＰＦが
高まる。また氷蓄熱槽の内周面と最も外側の製氷管との
間隔、および内外の製氷管同士の間隔をそれぞれ一定に
できるので、製氷管理が容易になり、ブリッジングも起
こりにくくなる。

【００４７】(3) 請求項３記載の装置では、複数の氷蓄
熱槽を上下方向に積み上げて設置できることから、最小
限（一個分の氷蓄熱槽）の設置スペースで、製氷能力を
複数倍に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の氷蓄熱装置の実施例を概略的に示す
側方視断面図である。

【図２】図１のII−II線断面図である。

【図３】図１の氷蓄熱装置のブロック回路図である。

【図４】図１の氷蓄熱槽内の水の流れを示す模式図であ
る。

【図５】別の実施例にかかる氷蓄熱装置のブロック回路
図である。

【図６】この発明の氷蓄熱装置の別の実施例を示す正面
図である。

【図７】この発明の氷蓄熱装置のさらに別の実施例を正
面図である。

【図８】この発明の氷蓄熱装置のさらに別の実施例を示
す、図２に対応する断面図である。

【図９】従来の氷蓄熱装置を概略的に示す側方視断面図
である。

【符号の説明】

１・１’ 氷蓄熱槽 ２ 断熱材槽 ３ 流入管 ４ 流出管 ５ 製氷管 ６ 入口側ヘッダ ７ 出口側ヘッダ ８ 冷媒供給管 ９ 冷媒排出管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 央 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１ 号 川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者 川上 建一 滋賀県草津市青地町1000番地 川重冷熱工 業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 氷蓄熱槽内に多数の製氷管を配管し、製
   氷時は該製氷管に冷媒を通して氷蓄熱槽内の水を氷結し
   て製氷管の外表面に着氷させ、冷熱取出時はそれを解氷
   させながら前記氷蓄熱槽内の水を冷房設備を経由して循
   環させる氷蓄熱式冷房システムなどに用いる氷蓄熱装置
   において、 前記氷蓄熱槽を筒状の密閉槽に形成してその一方の面に
   循環冷水の流入口を対向する他方の面に向けて設けると
   ともに、その流入口と同じ面に循環冷水の流出口を設
   け、 前記氷蓄熱槽内に製氷管を、前記流入口の面から対向す
   る面にかけてその中心軸線の周りにスパイラルコイル状
   に配装したうえ、その対向する面側から前記流入口の面
   にかけてスパイラルコイル状に逆向きにかつ前記スパイ
   ラルコイル状製氷管と交互に位置するように配装して、
   冷媒の入口および出口を循環冷水の流入口と同じ面に設
   けたことを特徴とする氷蓄熱装置。
2. 【請求項２】 前記氷蓄熱槽を円筒状に形成し、スパイ
   ラルコイル状の前記製氷管を口径の異なる二重又はそれ
   以上の重層構造にして、 循環冷水の前記流入口と同じ面に設けた冷媒の入口側ヘ
   ッダーと出口側ヘッダーに、前記スパイラルコイル状製
   氷管群の一端と他端をそれぞれ接続した請求項１記載の
   氷蓄熱装置。
3. 【請求項３】 前記氷蓄熱槽の複数個を、循環冷水の流
   入口・流出口および冷媒の出口・入口の向きを揃えて横
   置きにし、上下方向に積み上げて設置した請求項１又は
   ２記載の氷蓄熱装置。