JPH0763449A

JPH0763449A - ダイナミック型氷蓄熱装置

Info

Publication number: JPH0763449A
Application number: JP20961793A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Yamamoto; 敏浩山本; Kazuo Saito; 和夫齊藤; Koichi Kitagawa; 晃一北川; Tsutomu Sakuma; 勉佐久間; Toshio Otaka; 敏男大高; Yoshihiro Ito; 芳浩伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-08-24
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】ノズル１３の噴出部１３ａへの着氷を防止し
て冷媒Ｒと水Ｍとの熱交換を確実に行い、シャーベット
状の氷Ｋを安定して生成させる。【構成】水Ｍの温度が０℃を越えている製氷前では、
ノズル１３は水面下にあって冷媒Ｒを水中にて噴出す
る。水Ｍの温度が０℃以下に達する製氷時では、第１電
磁弁３３を開とし、氷蓄熱槽１内の水Ｍを第１水配管２
９を通してリザーブタンク３１内に抜き取る。これによ
り氷蓄熱槽１内の水Ｍの水位が下がり、ノズル１３は水
面Ｍ₁より上方位置となり、この状態で冷媒Ｒを噴出す
ることでノズル１３への着氷が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、水と、水の凝固点以
下で水より比重が大きくかつ水に溶解しない液体（冷
媒）との直接接触により水を凍結製氷させ、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、
氷蓄熱槽の底部に存在する非水溶性液体を０℃以下に冷
却して氷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。このときの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、ノズルの配置は氷蓄
熱槽の底部より熱交換に必要な距離だけ上方とする必要
がある。熱交換によって冷却された非水溶性液体の循環
により、氷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、氷蓄熱槽上部
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の氷蓄熱システムにおいては、次
のような問題が発生する。

【０００７】ノズルは常に水中に配置されていることか
ら、製氷時にはノズルの噴出口に非水溶性液体の噴出流
路に沿って着氷が生じ、この氷が製氷運転を続けて行く
につれて成長し、水との熱交換に必要な距離をとれなく
なるとともに、着氷部先端から噴出される非水溶性液体
は、氷との間で熱交換が行われてしまい、水中に流出す
るときには、温度が高くなって水との熱交換が行われな
くなってしまい、シャーベット状の氷を安定して生成す
ることができない。

【０００８】そこで、この発明は、シャーベット状の氷
を安定して生成させることを目的としている。

【０００９】

【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、水と、水より比重が大きい非
水溶性液体とを氷蓄熱槽にそれぞれ収納し、この氷蓄熱
槽に、底部に滞留する非水溶性液体を回収し途中に非水
溶性液体を圧送する圧送手段及び非水溶性液体を冷却す
る冷却手段をそれぞれ備えた液体回収配管の一端を接続
し、この液体回収配管の他端を非水溶性液体を氷蓄熱槽
内に供給する供給手段に接続したダイナミック型氷蓄熱
装置において、非水溶性液体を氷蓄熱槽内に供給する供
給手段と氷蓄熱槽内の水面との上下方向の相対位置を変
化させる相対位置変化手段と、氷蓄熱槽内に収納される
水の温度を検出する温度検出手段と、この温度検出手段
が検出した水の温度が、水の凝固点を越えているときに
供給手段を水面より下方に位置させる一方、水の凝固点
以下のときに供給手段を水面より上方に位置させるよう
前記相対位置変化手段を作動させる制御手段とを設けた
構成としてある。

【００１０】第２に、第１の構成において、供給手段
は、氷蓄熱槽の上部の水領域及び下部の水領域に上部連
通路及び下部連通路によりそれぞれ連通する上下方向に
延長された製氷用パイプ内に配置する構成としてある。

【００１１】第３に、第２の構成において、上部連通路
にこの通路を流れる水の流量を検出する流量検出手段を
設け、この流量検出手段が検出する水の流量が所定値以
下のとき、前記下部連通路を経て氷蓄熱槽内に水を噴出
して製氷用パイプ内の流動を促進させる流動促進手段を
下部連通路付近に設けた構成としてある。

【００１２】

【作用】第１または第２の構成によれば、非水溶性液体
を供給手段から氷蓄熱槽または製氷用パイプ内に供給す
ると、非水溶性液体が水中を落下する間に氷蓄熱槽また
は製氷用パイプ内の水と接触して熱交換を行い、製氷が
行われる。このとき、供給手段は水面より上方にあり水
と接触していないため、供給手段の先端への着氷は生じ
ない。熱交換後の非水溶性液体は、氷蓄熱槽の底部に滞
留し、液体回収配管によって回収され循環する。さら
に、氷蓄熱槽内に収納される水の温度が水の凝固点を越
えているときには、供給手段を水面より下方に位置させ
た状態で非水溶性液体を供給する。これにより、水と非
水溶性液体との白濁混合が解消され、これに伴い氷蓄熱
槽下部に貯溜された液体の液面低下もなく、安定して冷
却が行える。

【００１３】第３の構成によれば、製氷過程において製
氷用パイプに氷が詰まるなどして上部連通路を流れる水
の流量が所定値以下となったときには、流動促進手段に
より下部連通路を経て氷蓄熱槽に向けて水を噴出させ、
これにより製氷用パイプ内に詰まった氷が氷蓄熱槽に排
出される。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づき説明
する。

【００１５】図１は、この発明の一実施例を示すダイナ
ミック型氷蓄熱装置の全体構成図である。氷蓄熱槽１内
は、蓄熱媒体である水Ｍと、水Ｍ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で
ある冷媒Ｒとで満たされている。水Ｍより比重の大きい
冷媒Ｒは、水Ｍと分離して大部分が氷蓄熱槽１の底部に
沈殿して存在することになる。

【００１６】氷蓄熱槽１の底部には、冷媒Ｒを回収する
液体回収配管としての冷媒配管３の一端が接続されてい
る。冷媒配管３には、氷蓄熱槽１側から順に、冷媒Ｒを
循環させる圧送手段としての冷媒ポンプ５，冷媒ポンプ
５から送られる冷媒Ｒを冷却する冷却手段としての熱交
換器７がそれぞれ設けられている。熱交換器７の配管９
は、冷凍サイクルにおいて冷却された冷媒の通路となっ
ており、この冷媒と非水溶性液体である冷媒Ｒとの間で
熱交換が行われて冷媒Ｒが冷却される。

【００１７】冷媒配管３の他端は、氷蓄熱槽１の側面に
沿って上下方向に延長され全体として円筒状を呈する製
氷用パイプ１１の上端に接続されている。製氷用パイプ
１１の上部には、冷媒Ｒを微粒子として噴出する供給手
段としてのノズル１３が配置され、このノズル１３に冷
媒配管３の他端が接続されている。製氷用パイプ１１の
上部と氷蓄熱槽１の上部の水領域とは上部連通路として
の水流入口１５で連通し、一方製氷用パイプ１１の下部
は屈曲して下部連通路としての水平通路１７が形成さ
れ、この水平通路１７を介して氷蓄熱槽１の下部の水領
域と接続される。

【００１８】氷蓄熱槽１及び製氷用パイプ１１の上部の
水面には、それぞれの水位を検出する水位センサ１９及
び２１が設置されている。この水位センサ１９及び２１
は、水面Ｍ₁がノズル１３下端の噴出口１３ａより下方
にあるか上方にあるかを検出するためのものである。ま
た、製氷用パイプ１１の上部には、内部の水Ｍの温度を
検出する温度検出手段としての熱電対２３が、水流入口
１５にはここを流れる水Ｍの流量を検出する流量センサ
２５がそれぞれ設置されている。これら各センサ１９，
２１，２３，２５の検出信号は、例えばマイクロコンピ
ュータなどから構成される制御手段としての制御回路２
７に入力される。

【００１９】氷蓄熱槽１の底部の水領域には第１水配管
２９の一端が接続され、この配管２９の他端は水用のリ
ザーブタンク３１に第１電磁弁３３を介して接続されて
いる。さらに、リザーブタンク３１には第２水配管３５
の一端が接続され、他端側は、リザーブタンク３１内の
水を吸い込む水ポンプ３７，第２電磁弁３９及び水噴出
用ノズル４１を介して製氷用パイプ１１の水平通路１７
に接続されている。水噴出用ノズル４１は、水平通路１
７における氷蓄熱槽１と反対側の端部に開口し、噴出し
た水は水平通路１７を経て氷蓄熱槽１内に向けて流出す
るように配置されている。上記第１電磁弁３３及び第２
電磁弁３９は、常時は閉じており、制御回路２７の駆動
信号の入力を受けて開弁する構成となっている。

【００２０】リザーブタンク３１内に水が貯溜されてい
ない状態では、氷蓄熱槽１及び製氷用パイプ１１内の水
面Ｍ₁は、図２のようにノズル１３下端の噴出部１３ａ
より上方にあり、逆に貯溜された状態では、水面Ｍ₁は
下がり図３のように噴出部１３ａより下方となる。

【００２１】このような構成のダイナミック型氷蓄熱装
置において、運転開始時には、リザーブタンク３１内に
は水は貯溜されていないものとし、したがって氷蓄熱槽
１及び製氷用パイプ１１内の水面Ｍ₁はノズル１３の噴
出部１３ａより上方、すなわち図２の状態にある。この
状態でポンプ５を駆動すると、冷媒Ｒは熱交換器７で任
意の温度に冷却され、ノズル１３から製氷用パイプ１１
内の水Ｍ中に微粒子となって噴出される。冷媒Ｒがノズ
ル１３から噴出されると、氷蓄熱槽１内の水Ｍは冷媒噴
流の吸引作用で水流入口１５から製氷用パイプ１１内に
流入する。

【００２２】製氷用パイプ１１内では、冷媒Ｒは水Ｍと
直接接触して熱交換を行い、水Ｍを冷却しながら落下
し、製氷用パイプ１１下部の水平通路１７を通って氷蓄
熱槽１の下部に導かれる。そして、この工程を繰り返
し、水Ｍの温度が０℃に達すると、冷媒Ｒと水Ｍとの直
接接触により氷の生成が開始される。

【００２３】図４は、このような氷の生成が開始される
までの制御回路２７の制御動作を示すフローチャートで
ある。これによれば、水位センサ１９，２１及び熱電対
２３の検出値を読み込んだ後（ステップ４０１）、水Ｍ
の温度が０℃以下となったときには（ステップ４０
３）、上述した氷の生成が開始されたとして第１電磁弁
３３を開弁する（ステップ４０５）。これにより、氷蓄
熱槽１内の水は、その水圧により第１水配管２９を通っ
てリザーブタンク３１内に抜き取られる。

【００２４】ここで水位センサ１９，２１により検出さ
れている水位がノズル１３の下端の噴出部１３ａより下
方となったら（ステップ４０７）、つまり図３に示すよ
うに水面Ｍ₁がノズル１３より下方位置となったら、第
１電磁弁３３を閉じ（ステップ４０９）、氷蓄熱槽１か
らの水Ｍの抜き取りを停止する。

【００２５】これにより、氷の生成が開始される時点付
近以降は、ノズル１３は水面Ｍ₁の上方から冷媒Ｒを噴
出することになるが、噴出した冷媒Ｒにより、シャーベ
ット状の氷Ｋが生成され、この氷Ｋと、冷媒Ｒ及び水Ｍ
は、ノズル１３からの流れにより氷蓄熱槽１の下部に導
かれ、氷蓄熱槽１内に放出される。氷蓄熱槽１内に放出
された水Ｍより比重の大きい冷媒Ｒは氷蓄熱槽１の下部
に貯溜され、一方水Ｍより比重の小さいシャーベット状
の氷Ｋは、その浮力で水Ｍ中を上昇し、氷蓄熱槽１の上
方で浮遊して氷蓄熱槽１の上方から下方へと徐々に貯溜
されて行くことになる。

【００２６】上記ステップ４０３で水Ｍの温度が０℃を
越えている場合には、製氷前であってリザーバタンク３
１内には水が貯溜されており、このとき水面Ｍ₁がノズ
ル１３の噴出部１３ａより下方に位置していると（ステ
ップ４１１）、第２電磁弁３９を開弁させるとともに水
ポンプ３７を駆動し（ステップ４１３）、リザーバタン
ク３１内の水を水噴出用ノズル４１を介して製氷用パイ
プ１１内に供給し、水面Ｍ₁をノズル１３の噴出口１３
ａより上方位置としておく。

【００２７】このような製氷過程において、製氷用パイ
プ１１内の温度が０℃以下となったときには、ノズル１
３は水Ｍの上方から冷媒Ｒを噴出するので、ノズル１３
下端の噴出部１３ａは低温の水Ｍに接することはなく、
したがって噴出口１３ａへの着氷は防止される。このた
め、ノズル１３から噴出された冷媒Ｒの水Ｍとの熱交換
領域は、製氷用パイプ１１の上部から下部にわたる上下
方向のほぼ全域となって熱交換が確実に行われ、シャー
ベット状の氷が安定して生成されることになる。

【００２８】ところで、一般には水の温度が０℃を越え
る比較的高い状態では、噴出された冷媒が水に流入した
ときに細かい粒子が水に混ざって白濁し、いわゆるミス
ト状となり水中に浮遊し、氷蓄熱槽の底部に貯溜されな
い場合が生じる。また、冷媒と水とが混入している状態
で、シャーベット状の氷が生成されると、この氷の中に
冷媒がトラップされて冷媒の液面低下を招き、氷蓄熱槽
底部に貯溜されている冷媒を回収する際に水も同時に回
収してしまい、冷媒配管中に水が混入し、熱交換器や配
管途中で凍結するという不具合が発生する。

【００２９】このため、水Ｍの温度が０℃を越える状態
でも、０℃以下のときのように、水面Ｍ₁の上方から冷
媒Ｒを落下させる構成であると、冷媒と水とは混入しや
すくなり、上記不具合は発生しやすいものとなってしま
う。ところが、上記実施例では、水Ｍの温度が０℃を越
えた状態では、ノズル１３の噴出口１３ａは水中にあっ
てこの状態で冷媒Ｒを噴出するので、冷媒Ｒは水Ｍへの
流出時に水Ｍと混入しにくいものとなり、上記不具合は
発生しにくいものとなる。

【００３０】図５は、製氷時での制御回路２７の制御動
作を示すフローチャートである。これによれば、流量セ
ンサ２５による水流入口１５での水Ｍの流量検出値を読
み込み（ステップ５０１）、この検出値が所定値以下の
場合には（ステップ５０３）、製氷された氷Ｋが製氷用
パイプ１１内で詰まっているとして、第１，第２各電磁
弁３３，３９を開弁するとともに水ポンプ３７を駆動す
る（ステップ５０５）。

【００３１】水ポンプ３７は駆動することによりリザー
ブタンク３１から水を吸引し、吸引した水は第２電磁弁
３９を通り水噴出用ノズル４１から製氷用パイプ１１の
水平通路１７内に噴出される。噴出された水は、製氷用
パイプ１１内に詰まっている氷Ｋを強制的に氷蓄熱槽１
内に送り込み、製氷用パイプ１１内の氷Ｋを取り除く。
水ポンプ３７がリザーブタンク３１から水を吸引するこ
とで、氷蓄熱槽１内の水は第１水配管２９を通ってリザ
ーブタンク３１に流入し循環する。このため、リザーブ
タンク３１内の水量はほとんど変化せず、製氷時におけ
る水面Ｍ₁はノズル１３の下方に維持されたままであ
る。

【００３２】そして、水流入口１５における水の流量が
所定値を越えた場合には（ステップ５０７）、製氷用パ
イプ１１内の氷Ｋの詰まりは解消されたとして、水ポン
プ３７の駆動を停止するとともに第１，第２各電磁弁３
３，３９を閉弁する（ステップ５０９）。

【００３３】このように、製氷用パイプ１１内に氷Ｋが
詰まった場合には、その氷Ｋを随時取り除くことができ
るので、製氷運転は継続して行え、シャーベット状の氷
Ｋの生成が安定したものとなる。

【００３４】なお、上記実施例では、氷蓄熱槽１内の水
面Ｍ₁とノズル１３との上下方向の相対位置を変化させ
る際に、水面Ｍ₁を変化させる構成としたが、ノズル１
３自体を上下させる機構を設けても同様の効果が得られ
る。また、製氷用パイプ１１上部を密閉構造とし、この
パイプ１１内の圧力を変化させることにより、水面Ｍ₁
を変化させることもできる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明してきたように、第１の発明ま
たは第２の発明によれば、水と直接接触して水を冷却す
る非水溶性液体を氷蓄熱槽または製氷用パイプ内に供給
する供給手段を、製氷時には氷蓄熱槽または製氷用パイ
プ内における水面より上方に配置したので、供給手段へ
の着氷を防止でき、非水溶性液体と水との熱交換領域が
拡大されて熱交換が確実に行われ、氷の生成を安定させ
ることができる。さらに、水の温度が水の凝固点を越え
ているときには、つまり製氷前の時点では、供給される
非水溶性液体が水に混ざりやすい状態であるが、この状
態では供給手段を水面より下方に位置させ、水中にて非
水溶性液体を供給するようにしてあるので、非水溶性液
体と水とが混合しにくくなり、これら両者間の熱交換が
安定したものとなる。

【００３６】第３の発明によれば、氷蓄熱槽と製氷用パ
イプとを連通する上部連通路における水の流量が所定値
以下となったときに、製氷用パイプ内に氷が詰まったと
して下部連通路に水を強制的に送るようにしたので、詰
まった氷は氷蓄熱槽に排出されることになり、製氷運転
は継続して行え、氷の生成を安定して行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すダイナミック型氷蓄
熱装置の全体構成図である。

【図２】図１のダイナミック型氷蓄熱装置における製氷
前のノズルと水面との相対位置関係を示す要部の拡大さ
れた断面図である。

【図３】図１のダイナミック型氷蓄熱装置における製氷
時のノズルと水面との相対位置関係を示す要部の拡大さ
れた断面図である。

【図４】図１のダイナミック型氷蓄熱装置における製氷
開始時点付近までの制御回路の制御動作を示すフローチ
ャートである。

【図５】図１のダイナミック型氷蓄熱装置における製氷
時の制御回路の制御動作を示すフローチャートである。

【符号の説明】

Ｍ水Ｍ₁ 水面Ｒ冷媒（非水溶性液体）１氷蓄熱槽３液体回収配管５ポンプ（圧送手段）７熱交換器（冷却手段）１１製氷用パイプ１３ノズル（供給手段）１５水流入口（上部連通路）１７水平通路（下部連通路）２３熱電対（温度検出手段）２７制御回路（制御手段）２５流量センサ（流量検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐久間勉神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝住空間システム技術研究所内 (72)発明者大高敏男神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝住空間システム技術研究所内 (72)発明者伊藤芳浩神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝住空間システム技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水と、水より比重が大きい非水溶性液体
とを氷蓄熱槽にそれぞれ収納し、この氷蓄熱槽に、底部
に滞留する非水溶性液体を回収し途中に非水溶性液体を
圧送する圧送手段及び非水溶性液体を冷却する冷却手段
をそれぞれ備えた液体回収配管の一端を接続し、この液
体回収配管の他端を非水溶性液体を氷蓄熱槽内に供給す
る供給手段に接続したダイナミック型氷蓄熱装置におい
て、非水溶性液体を氷蓄熱槽内に供給する供給手段と氷
蓄熱槽内の水面との上下方向の相対位置を変化させる相
対位置変化手段と、氷蓄熱槽内に収納される水の温度を
検出する温度検出手段と、この温度検出手段が検出した
水の温度が、水の凝固点を越えているときに供給手段を
水面より下方に位置させる一方、水の凝固点以下のとき
に供給手段を水面より上方に位置させるよう前記相対位
置変化手段を作動させる制御手段と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】供給手段は、氷蓄熱槽の上部の水領域及
び下部の水領域に上部連通路及び下部連通路によりそれ
ぞれ連通する上下方向に延長された製氷用パイプ内に配
置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】上部連通路にこの通路を流れる水の流量
を検出する流量検出手段を設け、この流量検出手段が検
出する水の流量が所定値以下のとき、前記下部連通路を
経て氷蓄熱槽内に水を噴出して製氷用パイプ内の流動を
促進させる流動促進手段を下部連通路付近に設けたこと
を特徴とする請求項２記載のダイナミック型氷蓄熱装
置。