JPH0794938B2 - 蓄熱用製氷法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，建物の空調（冷房）用熱源としての冷熱の蓄
熱を行う場合の製氷方法および装置に関する。

〔従来の技術並びに問題点〕

氷蓄熱空調システムにおける氷製造法は，大別すれば，
間接熱交換方式と直接熱交換方式が従来より知られてい
る。間接熱交換方式は，製氷用伝熱管（熱交換器）を用
いる方法であり，伝熱管内（外）に低温の冷媒（ブライ
ン，フレオン等）を流し，管外（内）に氷を生成する方
法である。他方の直接熱交換方式は，冷媒ガスを水中に
直接吹き込む方式である。

伝熱管による間接方式では，この伝熱管を水槽内に浸漬
してその表面に氷を生成させる方式が一般であるが，被
冷却液が水の場合，生成した氷は管壁に着氷して成長す
る。この場合，氷の熱伝導率は悪いので着氷の厚みが増
すほど氷の成長速度が遅くなるという欠点がある。氷の
成長を促進するためには冷媒温度も着氷の厚みが増すほ
ど下げる必要がある。このために冷凍機の成績係数（CO
P）が下がる欠点をもつ。また，水槽内での氷の充填率
（IPF）を大きくするには伝熱管のピッチを細かくする
ことが必要となり，ひいては水中に浸漬する伝熱管の容
積が増大することになり，氷蓄熱のための有効容積の減
少を来すことになる。したがって，蓄熱効率は普通の蓄
熱水槽（冷水蓄熱）に比べて格段によくなるというわけ
のものでもない。

また，伝熱管内に氷を生成させる方式でも，伝熱管の内
壁に付着した氷によって熱伝導率が低下し，またこの付
着した氷を除去することが一般に困難である。

このようなことから，伝熱管方式ではあるが，管壁に着
氷させない方式として，被冷却液にエチレングリコール
等の不凍液を混ぜる方式が最近注目されている。この方
式では伝熱面に着氷することなくシャーベット状の氷が
被冷却液の液中に生成するので氷の充填率（IPF）を30
〜60％にまで高めることができる。しかし，氷の生成に
伴って被冷却液中のエチレングリコール濃度が高くなる
ので冷媒温度はこれに伴って−10〜−20℃程度へと徐々
に下げなければならない。このため，冷凍機の成績係数
（COP）が低下するという問題がある。

一方，直接熱交換方式では，冷媒温度は０℃近くの温度
で使用できるので，冷凍機の成績係数は上がる。また，
金属の伝熱面を持たないので着氷による氷塊の発生はな
く，従って氷充填率は50〜60％程度となる。しかし冷媒
ガス中に水が入り，フロンと水とが反応して腐食性の塩
素ガスを発生するという問題が生ずる。

本発明は，かような問題点をもつ従来の製氷法に代わる
新規な蓄熱用製氷法および装置の開発を目的としてなさ
れたものである。

〔発明の構成〕

前記の目的を達成せんとする本発明の要旨とするところ
は，蓄熱水槽の水の一部の槽外に設置した冷却管内に連
続的に通液したうえ再び該蓄熱水槽に戻すさいに，前記
冷却管の管壁温度を零度℃より低い温度に維持し，この
冷却管内に超音波を照射することを特徴とする蓄熱用製
氷法である。

そして，この製氷法を好適に実施する装置として，蓄熱
水槽と，この蓄熱水槽内の水の外に設置した冷却器と，
該蓄熱水槽の水の一部を該冷却器に給水する給水管路
と，該冷却器を出た氷含有水を該蓄熱水槽に戻す戻り管
路と，からなる蓄熱用製氷装置であって，前記の冷却器
が，冷媒がその中を通過する容器と，この容器内を貫通
する冷却管とからなり，この冷却管内を通過する水に超
音波を照射するための超音波発振素子を，該冷却管の少
なくとも一方の開口端近傍に設置したこと，を特徴とす
る蓄熱用製氷装置を提供するものである。

すなわち本発明は，蓄熱水槽内の水の一部を槽外に設置
した冷却器の冷却管内に通水することによって０℃以下
にまで連続的に強制冷却するものであるが，この冷却管
内を通過している水に超音波を照射する（したがって，
冷却管の内壁面にも超音波が照射される）ことによっ
て，超音波の凝縮および洗浄作用を利用して，管壁に針
状の氷を成長させ，そして針状に成長した氷を管壁から
剥離させることに特徴がある。

〔発明の詳述〕

以下に図面を参照しながら本発明の内容を具体的に説明
する。

第１図は本発明法を実施する装置の例を示した機器配置
系統図であり,1は蓄熱水槽,2は槽内の水,3は冷却器,4は
蓄熱水槽１から冷却器３への給水管路,5はその管路に介
装された給水ポンプである。冷却器３は，図示の例では
シエルアンドチュープ型熱交換器と同様な構造を有する
ものを竪型に使用しており，そのシエル部分を冷凍サイ
クルの蒸発器として機能するようにしたものである。こ
のために，圧縮機6,凝縮器7,膨張弁8,冷却器３の容器内
10（蒸発器）との間を冷媒配管することによってヒート
ポンプが形成されている。

第２図は，第１図の冷却器３を半身切き欠きの拡大図で
示したものである。第２図に見られるように，この冷却
器３は，冷媒がその中を通過する容器10と，この容器10
内を上下方向に貫通する複数本の冷却管11とからなって
いる。図示の例では容器10は軸を垂直にした気密な円筒
シエルからなり，この円筒シエルの上板12と下板13を，
垂直方向の冷却管11が気密に貫通している。そして，容
器10の下板13の下方には被冷却水の供給室14が，そして
上板12の上方には氷＋水の集液室15が設けられている。
図示の例では供給室14および集液室15は容器10と同径の
円筒ドラムからなっており，各冷却管11の両端はこれら
の室14と15に開口している。容器10には冷媒導入口16と
冷媒出口17を有し，供給室14には被冷却水の取入れ口18
が，そして集液室15には氷と水の混合流体の取り出し口
19が取付けてある。

20は超音波発振素子を示す。本発明においては超音波発
振素子20によって冷却管11内に通水中の被冷却水に超音
波を照射する。図示の例では超音波発振素子20は各冷却
管11の出口側に設置されている。すなわち，各冷却管11
の開口端近傍の集液室15内の水中において，その超音波
振動が各冷却管11内に伝播する位置に，各冷却管11に対
応する数の超音波発振素子20が連設されている。各超音
波発振素子20は器外の超音波発振装置21に接続され，こ
の超音波発振装置21は電源22（第１図）に接続される。

超音波発振素子20を冷却管11の出口側に設置しして出口
側から超音波を照射する図示の例は本発明のベストモー
ドであるが，場合によってはこれは冷却管11の入口側つ
まり供給室14内に設けられていてもよく，また出口側と
入口側の両方に設けられていてもよい。いずれにして
も，冷却管11内を連続的に流れる被冷却水に超音波が照
射されること，また，冷却管11の内壁面にも超音波が照
射されることが本発明の目的の達成には重要である。す
なわち，超音波の照射条件下におて，零度℃以下に冷却
されている冷却管11の中を通過する被冷却水は，超音波
の凝集作用によってその内壁または水中において氷核の
生成が促進され，壁面では針状の氷結晶が成長する。そ
して、この壁面で成長した針状の氷は所定の大きさにな
ると超音波の洗浄作用によって壁面から剥離し，再び新
たな氷結晶が発生するのであり，このような現象を有利
に行わせるために，本発明においては，冷却管内を通過
する水に超音波を照射するための超音波発振素子を該冷
却管の少なくとも一方の開口端近傍に設置する。

このように構成した冷却器３を，第１図のように蓄熱水
槽１の槽外にセットし，給水管路４を被冷却水の供給室
14の取入れ口18に接続し，集液室15の氷含有水の取り出
し口19に蓄熱水槽１への戻り管路23を接続する。一方，
容器10の冷媒出口17は圧縮機６に接続し，圧縮機6,凝縮
器７および膨張弁８を経たうえ，その冷媒管路を冷媒容
器10の冷媒導入口16に接続してヒートポンプを形成す
る。凝縮器７には冷却水を通水して圧縮機６から吐出す
る高圧冷媒から抜熱して高圧冷媒を凝縮し，膨張弁６で
絞ったうえ冷媒容器10内に吐出気化させることによって
冷却管11を零度℃以下の温度に冷却する。

なお，冷却器３は前記のように冷凍サイクルの蒸発器と
して機能させる場合のほか，冷凍機ブラインをこれに通
液して冷却するものであってもよい。この場合にはブラ
インの通液量と温度の制御を行って適正な冷却を行えば
よい。

また，冷却器３による冷却負荷を低減するために，第１
図に示したように，蓄熱水槽１の水層２内に冷却器24を
挿入しておき，この冷却器24によって蓄熱水槽１内の水
を予冷することも好ましい。この槽内の冷却器24は，該
冷却器３と共通の冷凍サイクルを利用して冷却機能を付
与することができる。すなわち，凝縮器７から冷却器３
の膨張弁８に至る冷媒液管路25から分岐管26を採り，膨
張弁27をこの分岐管26に介装したうえ冷却器24に接続
し，冷却器24から圧縮機６への吸込管に接続すればよ
い。そのさい，管路25と分岐管26には開閉弁28と29を取
付けておき，冷媒液の通液量を制御できるようにしてお
く。

第３図および第４図は超音波照射の有無による冷却管11
での氷の生成状態の相違を図解的に示したものである。
冷却管11の内壁面の温度が例えば−0.5℃〜−1.0℃程度
に常時維持されるような条件で連続的に通水すると，こ
の内壁面に接して過冷却水（零度℃以下の温度の水）の
層が生成する。この過冷却水の層から氷が生成すると過
冷却は解除されることになる。この場合，第３図のよう
に，超音波の照射がないときは，過冷却水から生成する
氷は管壁に層状に付着して成長することになる。層状に
成長した氷層は通常の運転状態を続ける限り内壁面から
剥離することはなく，そのまま所定の層厚まで成長し，
その表面に過冷却水の層を形成しながら通水状態が続行
することになる。しかし，この氷層は熱伝導率が悪いの
で過冷却水を製造する場合にも効率が悪くなし，通水量
も減少することになる。

一方，第４図のように超音波発振素子20から冷却管11内
に超音波を照射しながら，冷却管11の内壁面の温度が例
えば−0.5℃〜−1.0℃程度に常時維持させるような条件
で連続的に通水すると，超音波の凝集作用によって内壁
面に接した過冷却水の層から無数の氷核が生成し，その
一部は管壁に付着する。そして管壁に付着した氷核から
は針状の氷結晶が成長する。この針状の氷結晶は管壁に
対して一点支持のような状態で付着しているのでその付
着力は弱くかつ超音波の洗浄作用も加わって所定の大き
さに成長すると管壁から離れる。したがって，第３図の
場合のように層状に稠密に氷が管壁に付着することが防
止されると共に，冷却管11の内面はその伝熱面が水中に
露出した状態が繰り返し維持されながら，氷が水中に浮
遊した氷含有水がこの冷却管11から取り出されることに
なる。

以上のようにして，本発明によると，伝熱管を利用した
製氷でありながら超音波による物理的作用によって，層
状で緻密な着氷を伝熱管内面に起こすことなく製氷で
き，しかもその氷は微細なシャーベット状となり蓄熱に
とって好ましい状態となる。そして，水の連続的な流れ
を冷却するのであるから大量の氷を作るにも小型の冷却
器でよく，且つ良好な冷凍機の成績係数のもとで製氷蓄
熱ができる。また，装置構成が単純であり，小型装置構
成のもとで空調用蓄熱製氷が簡単に行えると共に既設の
蓄熱水槽に対してもその蓄熱水槽の構造を改変すること
なく簡単に製氷蓄熱水槽に変えることができ，その設備
費用や運転費用は非常に経済的であるという優れた効果
を発揮する。また空調機器などが稼働している間でも製
氷ができるし製氷系に不凍液などを使用しない点でも有
利な面がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製氷蓄熱を行う装置の例を示す機器配
置系統図，第２図は第１図の冷却器の一部切り欠き拡大
図，第３図は超音波照射無しの場合の冷却管に付着する
氷の状態を示す略断面図，第４図は超音波を照射した場
合の冷却管に付着する氷の状態を示す略断面図である。 １……蓄熱水槽,2……水槽,3……冷却器,4……冷却器へ
の給水管路,5……給水ポンプ,6……圧縮機,7……凝縮
器,8……膨張弁,10……冷媒容器,11……冷却管,14……
被冷却水の供給室,15……氷含有水の集液室,16……容器
への冷媒入口,17……容器からの冷媒出口,18……被冷却
水の取入れ口,19……氷含有水の取り出し口,20……超音
波発振素子,21……超音波発振装置,24……槽内の冷却
器,27……膨張弁。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蓄熱水槽の水の一部を槽外に設置した冷却
   管内に連続的に通液したうえ再び該蓄熱水槽に戻すさい
   に，前記冷却管の管壁温度を零度℃より低い温度に維持
   し，この冷却管内に超音波を照射することを特徴とする
   蓄熱用製氷法。
2. 【請求項２】蓄熱水槽と，この蓄熱水槽内の水の外に設
   置した冷却器と，該蓄熱水槽の水の一部を該冷却器に給
   水する給水管路と，該冷却器を出た氷含有水を該蓄熱水
   槽に戻す戻り管路と，からなる蓄熱用製氷装置におい
   て，前記の冷却器が，冷媒がその中を通過する容器と，
   この容器内を貫通する冷却管とからなり，この冷却管内
   を通過する水に超音波を照射するための超音波発振素子
   を，該冷却管の少なくとも一方の開口端近傍に設置した
   こと，を特徴とする蓄熱用製氷装置。