JPH0763450A - ダイナミック型氷蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 氷蓄熱槽１内で生成されるシャーベット状の
氷Ｋの充填率の向上及び、冷媒Ｒを噴出するノズル部３
１ａへの着氷がない安定した氷Ｋの生成。 【構成】 氷蓄熱槽１内に内筒１１を設けて氷貯溜領域
１３と製氷領域１５とを形成する。製氷領域１５の上部
には、冷媒Ｒが底部の冷媒貯溜部３から冷媒配管２１を
経て供給される冷媒供給路２７を設け、冷媒供給路２７
の下部に形成したノズル部３１ａから冷媒Ｒを噴出す
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、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
及び氷自身の凝縮がほとんどないため、氷の占める体積
率が低く、ＩＰＦが低い欠点がある。また、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、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、その温度が高くな
って水との熱交換器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という
問題がある。

【０００７】そこで、この発明は、氷蓄熱槽内で生成さ
れる氷の充填率を向上させること及び、非水溶性液体を
水中に流出させる噴出手段への着氷を防止して氷の生成
を安定化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、水と、水より比重が大きい非
水溶性液体とを収納する氷蓄熱槽内に、内側に氷貯溜領
域を、外側に非水溶性液体が供給される製氷領域をそれ
ぞれ形成する内筒を設け、前記氷貯溜領域と製氷領域と
は氷蓄熱槽内の水領域における上部及び下部にてそれぞ
れ上部連通路及び下部連通路で連通し、前記氷蓄熱槽の
下部に、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前記製氷領域の上部に
連通して接続した構成としてある。

【０００９】第２に、第１の構成において、液体回収配
管から製氷領域に冷媒を流出させる液体流出口は、製氷
領域における水中に開口しており、この液体流出口の近
傍に水流を発生させる水流発生手段を設けた構成として
ある。

【００１０】第３に、第１または第２の構成において、
氷蓄熱槽内の底部付近に、氷貯溜領域内にて氷貯溜領域
上部に向かう水流を発生させる上昇水流発生手段を設け
た構成としてある。

【００１１】

【作用】第１の構成によれば、非水溶性液体を液体回収
配管から製氷領域の水中に供給すると、水より比重の大
きい非水溶性液体は製氷領域を落下し、これに伴い氷貯
溜領域内の水が上部連通路を通って製氷領域に流入す
る。製氷領域においては非水溶性液体が落下する間に、
水と非水溶性液体とが直接接触して製氷が行われ、製氷
物は液体の流れに沿って氷蓄熱槽の底部へ移動した後、
下部連通路を通って氷貯溜領域にて水の流れと製氷物自
身の浮力によって上昇し貯溜されることになる。一方、
製氷領域で熱交換した非水溶性液体は、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て循環する。

【００１２】第２の構成によれば、水流発生手段により
液体流出口の下部に水流が発生し、これにより水中にあ
る液体流出口への着氷が防止される。

【００１３】第３の構成によれば、上昇水流発生手段に
より氷貯溜領域内には上方に向かう水流が発生し、生成
された氷はこの水流により押されて上部に蓄積される。

【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
の冷媒貯溜部３に沈殿して存在することになる。

【００１６】氷蓄熱槽１は、四方に位置する側壁５，上
壁７及び底壁９を有し、底壁９の外周側が下方に突出し
て冷媒貯溜部３を形成している。氷蓄熱槽１内には、４
つの側壁５に対応する４つの面を備えた内筒１１が設置
されている。内筒１１は、上端が上壁７に固定され、下
端が氷蓄熱槽１の上下方向高さの底部からほぼ１／３の
位置にあり、この内筒１１の内側が氷貯溜領域１３で、
内筒１１の外側が冷媒Ｒが供給されて氷が生成される製
氷領域１５となる。

【００１７】内筒１１の４つの面における上部付近に
は、氷貯溜領域１３と製氷領域１５とを連通する上部連
通路としての水流入孔１７が形成され、水流入孔１７
は、氷貯溜領域１３から製氷領域１５への氷の流入を防
ぐために、図２に示すように網目状となっている。一
方、下部側における内筒１１の下端と底壁９との間が氷
貯溜領域１３と液体供給領域１５とを連通する下部連通
路１９となる。

【００１８】氷蓄熱槽１の冷媒貯溜部３には、冷媒Ｒを
回収する液体回収配管としての冷媒配管２１の一端が接
続されている。冷媒配管２１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２
３，冷媒ポンプ２３から送られる冷媒Ｒを冷却する冷却
手段としての冷凍機２５がそれぞれ設けられている。冷
媒配管２１の他端は、前記内筒１１の水流入孔１７より
上方における氷蓄熱槽１の側壁５に接続され、製氷領域
１５に連通している。冷媒配管２１が接続されるる製氷
領域１５には、四方の側壁５に固定された環状の冷媒供
給路２７が設けられている。冷媒供給路２７と内筒１１
との間には、冷媒供給路２７の上部と下部とを連通する
隙間２９が形成されている。

【００１９】冷媒供給路２７の下面３１には、冷媒Ｒを
製氷領域１５に噴出する流体流出口としてのノズル部３
１ａが全周にわたって多数形成されている。冷媒供給路
２７の下方の製氷領域１５内には、ノズル部３１ａ付近
に水流を発生させる水流発生手段としての羽車３３が回
転可能な状態で設置されている。羽車３３は、四方の側
壁５と内筒１１との間の４つの領域にそれぞれ水平方向
に延長して配置され、氷蓄熱槽１の側壁５を貫通し外部
に突出する駆動軸３５を介してモータ３７によって矢印
Ａ方向に回転する。

【００２０】内筒１１の下方における氷蓄熱槽１内に
は、氷貯溜領域１３内にて上方に向かう水流を発生させ
る上昇水流発生手段としてのアジテータ３９が設置され
ている。アジテータ３９には、氷貯溜領域１３内を上下
方向に延長して配置される駆動軸４１の下端が連結さ
れ、駆動軸４１の上端は氷蓄熱槽１の上壁７を貫通して
上方に突出しモータ４３に連結されている。

【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、冷媒ポンプ２３を駆動すると、冷媒貯溜部
３に貯溜されている冷媒Ｒが冷媒ポンプ２３により吸引
され、この冷媒Ｒは冷凍機２５で任意の温度に冷却され
た後、製氷領域１５内の冷媒供給路２７に供給される。
冷媒供給路２７に供給された冷媒Ｒは、ノズル部３１ａ
を介して製氷領域１５の水中に微粒子となって噴出され
る。このとき、二つのモータ３７，４３を駆動すると、
羽車３３とアジテータ３９が回転し、羽車３３の回転に
よってノズル部３１ａ付近に水流が発生し、アジテータ
３９の回転によって氷貯溜領域１３内にて上方に向かう
水流が発生する。アジテータ３９が回転しても、底部に
滞留する冷媒Ｒは、下方に突出する冷媒貯溜部３に入り
込んでいるので、巻き上げられることはない。

【００２２】製氷領域１５内では、噴出された冷媒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、氷蓄熱槽１の底部の冷媒貯溜部３に導かれる。
一方、氷貯溜領域１３内の水Ｍは、アジテータ３９の回
転によって生じる上方に向かう水流に加え、ノズル部３
１ａからの冷媒Ｒの噴出に伴う吸引作用により、水流入
孔１７を経て製氷領域１５に流入した後、下部連通路１
９から氷貯溜領域１３に流れ込むという循環流となる。
そして、この工程を繰り返し、水Ｍの温度が０℃または
それ以下に達すると、冷媒Ｒと水Ｍとの直接接触により
シャーベット状の氷Ｋの生成が開始される。氷Ｋの生成
時には、羽車３３の回転によりノズル部３１ａ付近に水
流が発生しているので、ノズル部３１ａの凍結、着氷が
防止されている。

【００２３】製氷領域１５内で生成された氷Ｋは、水Ｍ
の循環流により下部連通路１９を経て氷貯溜領域１３に
移動し、浮力により上方に移動するが、ここでは上方に
向かう水流によって強制的に上方に押上げられるので、
効率よく上方に滞留させ、氷を凝縮させることになる。
しかも、この氷貯溜領域１３は製氷領域１５とは内筒１
１によって仕切られているので、氷貯溜領域１３に貯溜
されている氷Ｋが製氷領域１５を妨害することなく製氷
が行え、氷蓄熱槽１の下方まで氷貯溜領域１３が拡大さ
れ、氷の充填率が向上する。

【００２４】なお、上記実施例では、ノズル部３１ａは
冷媒Ｒを下方に向けて噴出するようにしたが、斜め下方
もしくは水平方向に噴出するような構成とすれば、冷媒
Ｒが底部に達するまでの熱交換距離が長くとれ、氷の生
成がより安定したものとなる。また、羽車３３は単に水
流を発生させる手段として用いているが、羽車３３をノ
ズル部３１ａにより近付けることにより、この羽車３３
の回転によってノズル部３１ａに着氷した氷を掻き落と
し除去することも可能である。

【００２５】

【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、氷蓄熱槽内に、氷貯溜領域と製氷領域とを仕切
る内筒を設け、内筒の外側の製氷領域に非水溶性液体を
供給し、供給した非水溶性液体と水との熱交換によって
生成された氷は内筒下方の下部連通路を通って氷貯溜領
域に移動し貯溜するようにしたため、氷貯溜領域に貯溜
された氷が製氷領域を妨害することなく製氷が行え、氷
蓄熱槽の下方まで氷の貯溜領域が拡大でき、氷の充填率
を向上させることができる。

【００２６】第２の発明によれば、非水溶性液体が液体
回収配管から液体流出口を経て製氷領域に供給される際
に、水流発生手段により液体流出口付近に水流を発生さ
せているので、液体流出口への凍結、着氷を防止するこ
とができ、水との熱交換距離を安定して確保できる。

【００２７】第３の発明によれば、上昇水流発生手段に
より氷貯溜領域内にて上方に向かう水流が発生するの
で、生成された氷はこの水流によって強制的に上方に押
上げられ、効率よく上方に滞留し、氷の充填率を向上さ
せることができる。

【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の冷媒供給路
付近の拡大された透視図である。

【符号の説明】

Ｍ 水 Ｒ 冷媒（非水溶性液体） １ 氷蓄熱槽 １１ 内筒 １３ 氷貯溜領域 １５ 製氷領域 １７ 水流入孔（上部連通路） １９ 下部連通路 ２１ 冷媒配管（液体回収配管） ２３ 冷媒ポンプ（圧送手段） ２５ 冷凍機（冷却手段） ３１ａ ノズル部（流体流出口） ３３ 羽車（水流発生手段） ３９ アジテータ（上昇水流発生手段）

───────────────────────────────────────────────────── 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水と、水より比重が大きい非水溶性液体
   とを収納する氷蓄熱槽内に、内側に氷貯溜領域を、外側
   に非水溶性液体が供給される製氷領域をそれぞれ形成す
   る内筒を設け、前記氷貯溜領域と製氷領域とは氷蓄熱槽
   内の水領域における上部及び下部にてそれぞれ上部連通
   路及び下部連通路で連通し、前記氷蓄熱槽の下部に、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前記製氷領域の上部に連通して接
   続したことを特徴とするダイナミック型氷蓄熱装置。
2. 【請求項２】 液体回収配管から製氷領域に冷媒を流出
   させる液体流出口は、製氷領域における水中に開口して
   おり、この液体流出口の近傍に水流を発生させる水流発
   生手段を設け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。
3. 【請求項３】 氷蓄熱槽内の底部付近に、氷貯溜領域内
   にて氷貯溜領域上部に向かう水流を発生させる上昇水流
   発生手段を設けたことを特徴とする請求項１または２記
   載のダイナミック型氷蓄熱装置。