JPH1082590A - シェルアンドチューブ型熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄熱式空気調和装置の水循環回路において、
過冷却熱交換器内への氷核の流入を防止し、過冷却熱交
換器内での水の凍結を抑制するために、水循環回路に予
熱器を備えたものがある。しかし、この種の装置では、
水循環回路の設置スペースが大きく、コストが高いとい
う課題があった。 【解決手段】 水循環回路に設けられるシェルアンドチ
ューブ型熱交換器(50)において、氷核が混入した水を加
熱して氷核を融解する予熱空間(53)と、水を冷却して過
冷却状態にする冷却空間(54)とを一体的に構成した。ま
た、予熱空間(53)と冷却空間(54)との間を、断熱性能の
高い中央仕切板(70)で区画形成し、熱損失の発生を抑制
した。また、予熱空間と冷却空間との間に、氷核を融解
する攪拌部を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シェルアンドチュ
ーブ型熱交換器に関し、特に、蓄熱式空気調和装置等に
おける過冷却水の生成に適したシェルアンドチューブ型
熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、冷房負荷のピーク時における
電力需要の軽減およびオフピーク時における電力需要の
拡大を図ることに鑑みて、冷房負荷のピーク時に冷熱と
して利用するためのスラリー状の氷を冷房負荷のオフピ
ーク時に生成して蓄熱槽に貯蔵しておく蓄熱式空気調和
装置が知られている。

【０００３】この種の蓄熱式空気調和装置の一例とし
て、圧縮機、凝縮器、膨張機構および過冷却水生成用の
熱交換器の冷媒熱交換部を冷媒配管によって順次接続し
て成る冷媒循環回路と、水循環回路とを備えたものが知
られている。

【０００４】そして、水循環回路として、例えば図１２
に示すように、ポンプ(a) 、予熱器(b) 、攪拌器(c) 、
過冷却熱交換器(d) の蓄熱媒体熱交換部、過冷却解消器
(e)、および蓄熱槽(f) が水配管によって順次接続して
構成されたものが知られている。

【０００５】この種の蓄熱式空気調和装置の製氷動作と
しては、まず、蓄熱槽(f) から水配管へ流出した氷核が
混入した水を予熱器(b) で加熱して、氷核を融解する。
そして更に、この水を攪拌器(c) で攪拌することによっ
て、氷核を含まない水だけの状態にする。その後、この
水を過冷却熱交換器(d) の蓄熱媒体熱交換部において冷
媒熱交換部の冷媒と熱交換して過冷却状態まで冷却す
る。そして、過冷却解消器(e) においてこの過冷却状態
を解消してスラリー状の氷を生成した後、この氷を蓄熱
槽(f) に供給して貯留する。

【０００６】この蓄熱式空気調和装置では、上記のよう
な構成により、過冷却熱交換器(d)の蓄熱媒体熱交換部
には氷核が流入しないので、蓄熱媒体熱交換部での凍結
による流路の閉塞は起こりにくい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の蓄熱式
空気調和装置では、以下のような問題があった。

【０００８】つまり、予熱器(b) や攪拌器(c) を別途設
ける必要があることから、水循環回路の設置スペースが
大きくなり、結局、蓄熱式空気調和装置全体のサイズが
大きくなるという不都合があった。

【０００９】また、水循環回路が複雑になり、蓄熱式空
気調和装置の信頼性が損なわれるおそれがあった。

【００１０】さらに、予熱器(b) 、攪拌器(c) 、および
それらを接続する水配管等のため、蓄熱式空気調和装置
のコストが高くなるという問題があった。

【００１１】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、蓄熱式空気調和装置
等をコンパクトで低コストにすることができるシェルア
ンドチューブ型熱交換器を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、蓄熱媒体を加熱する予熱空間と、蓄熱媒
体を冷却する冷却空間とを一体的に形成した。

【００１３】具体的には、請求項１に記載の発明が講じ
た手段は、蓄熱媒体が循環して冷熱を蓄える蓄熱媒体循
環回路(30)と、冷媒が循環する冷媒循環回路(20)とに接
続され、上記冷媒と蓄熱媒体とを熱交換させるシェルア
ンドチューブ型熱交換器において、シェル(48)内に複数
の仕切板(42,43,70,88,89)が設けられて、シェル(48)内
に蓄熱媒体の予熱空間(53)と冷却空間(54)とが形成さ
れ、予熱空間(53)と冷却空間(54)とには、仕切板(42,4
3,70,88,89)の間に亘る複数の伝熱管(49,86,87)がそれ
ぞれ設けられ、上記シェル(48)には、蓄熱媒体が予熱空
間(53)の伝熱管(49,86) 内から冷却空間(54)の伝熱管(4
9,87) 内を流れるように蓄熱媒体循環回路(30)が接続さ
れる一方、上記シェル(48)には、予熱空間(53)の蓄熱媒
体を所定温度に加熱する加熱手段が設けられると共に、
冷却空間(54)の蓄熱媒体より低温の冷媒が冷却空間(54)
の伝熱管(49 、87)外を流れて蓄熱媒体を所定温度に冷却
するように冷媒循環回路(20)が接続されている構成とし
たものである。

【００１４】上記の発明特定事項により、予熱空間を熱
交換器内に設けたために、蓄熱媒体循環回路の設置スペ
ースを小さくすることができるので、蓄熱式空気調和装
置全体のサイズをコンパクトにすることが可能となる。
また、蓄熱式空気調和装置のコストが安くなる。

【００１５】一方、請求項２に記載の発明が講じた手段
は、請求項１に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、加熱手段は上記冷媒循環回路から成り、冷媒
循環回路は、予熱空間(53)の蓄熱媒体より高温の冷媒が
予熱空間(53)の伝熱管(49,86) 外を流れて蓄熱媒体を所
定温度に加熱するようにシェル(48)に接続されている構
成としたものである。

【００１６】上記の発明特定事項により、同一の冷媒循
環回路で蓄熱媒体の加熱と冷却とを行うことができるの
で、蓄熱式空気調和装置を更にコンパクトにすることが
できる。

【００１７】一方、請求項３に記載の発明が講じた手段
は、請求項２に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、予熱空間(53)と冷却空間(54)とは、蓄熱媒体
の入口側仕切板(42)と出口側仕切板(43)と中央仕切板(7
0)とによって区画形成される一方、予熱空間の伝熱管(4
9)と冷却空間の伝熱管(49)とは、一体物で形成されてい
る構成としたものである。

【００１８】上記の発明特定事項により、伝熱管が一体
物であることから、熱交換器の構造が簡単になり、製造
コストは低減する。

【００１９】また、請求項４に記載の発明が講じた手段
は、請求項２に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、予熱空間(53)と冷却空間(54)との間には、予
熱空間側の仕切板(88)と冷却空間側の仕切板(89)とによ
って区画形成され、予熱空間(53)から冷却空間(54)に流
れる蓄熱媒体を攪拌する攪拌部(84)が設けられている構
成としたものである。

【００２０】上記の発明特定事項により、予熱空間で融
解しきれなかった氷核は攪拌部で攪拌されて融解するの
で、冷却空間に混入することはなく、熱交換器内での蓄
熱媒体の凍結および流路の閉塞が防止される。

【００２１】また、請求項５に記載の発明が講じた手段
は、請求項４に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、予熱空間側の仕切板(88)および冷却空間側の
仕切板(89)には、断熱手段が施されている構成としたも
のである。

【００２２】上記の発明特定事項により、予熱空間と攪
拌部および攪拌部と冷却空間の間が断熱されているの
で、それらの間での熱損失は発生せず、効率的な製氷運
転が可能となる。

【００２３】また、請求項６に記載の発明が講じた手段
は、請求項４に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、予熱空間の伝熱管(86)は、流出側端部(91)が
攪拌部(84)に臨み、冷却空間の伝熱管(87)は、流入側端
部(92)が攪拌部(84)に臨んでいる構成としたものであ
る。

【００２４】上記の発明特定事項により、攪拌部での攪
拌を良好に行うことができる。

【００２５】また、請求項７に記載の発明が講じた手段
は、請求項２に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、予熱空間(53)と冷却空間(54)とは、蓄熱媒体
の入口側仕切板(42)と出口側仕切板(43)と中央仕切板(7
0)とによって区画形成される一方、上記中央仕切板(70)
には、断熱手段が施されている構成としたものである。

【００２６】上記の発明特定事項により、予熱空間と冷
却空間との間が断熱されているので、予熱空間と冷却空
間との間の熱損失は発生せず、効率的な製氷運転が可能
となる。

【００２７】また、請求項８に記載の発明が講じた手段
は、請求項５または７のいずれか一つに記載のシェルア
ンドチューブ型熱交換器において、断熱手段は、入口側
仕切板(42)および出口側仕切板(43)の材料よりも熱伝導
率が低い材料より成る断熱層(73,75,76,103,105,106)で
ある構成としたものである。

【００２８】上記の発明特定事項により、予熱空間と冷
却空間との間の断熱を良好に行うことができる。

【００２９】また、請求項９に記載の発明が講じた手段
は、請求項８に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、断熱層(103,105,106) は、樹脂材料で形成さ
れている構成としたものである。

【００３０】上記の発明特定事項により、予熱空間と冷
却空間との間の断熱を良好に行うことができる。

【００３１】また、請求項１０に記載の発明が講じた手
段は、請求項７に記載のシェルアンドチューブ型熱交換
器において、断熱手段は、中央仕切板(70)の内部に形成
された空洞(111) である構成としたものである。

【００３２】上記の発明特定事項により、予熱空間と冷
却空間との間の断熱を良好に行うことができる。

【００３３】また、請求項１１に記載の発明が講じた手
段は、請求項５に記載のシェルアンドチューブ型熱交換
器において、断熱手段は、予熱空間側の仕切板(88)およ
び冷却空間側の仕切板(89)の内部に形成された空洞(11
1) である構成としたものである。

【００３４】上記の発明特定事項により、予熱空間側の
仕切板および冷却空間側の仕切板の断熱を良好に行うこ
とができる。

【００３５】また、請求項１２に記載の発明が講じた手
段は、請求項１０または１１のいずれか一つに記載のシ
ェルアンドチューブ型熱交換器において、空洞(111) に
は、気体が充填されている構成としたものである。

【００３６】上記の発明特定事項により、予熱空間と冷
却空間との間の断熱を良好に行うことができる。

【００３７】また、請求項１３に記載の発明が講じた手
段は、請求項１２に記載のシェルアンドチューブ型熱交
換器において、空洞(111) は、真空状態になっている構
成としたものである。

【００３８】上記の発明特定事項により、予熱空間と冷
却空間との間の断熱を良好に行うことができる。

【００３９】

【発明の実施の形態１】以下、本発明の実施の形態を図
面を参照しながら説明する。

【００４０】−蓄熱式空気調和装置(10)− まず、本発明の熱交換器(50)を用いた蓄熱式空気調和装
置(10)について説明する。

【００４１】図１に示すように、蓄熱式空気調和装置(1
0)は、冷媒が循環する冷媒循環回路(20)と、蓄熱媒体で
ある水が循環する水循環回路(30)とを備える。始めに、
冷媒循環回路(20)と水循環回路(30)とを順に説明する。

【００４２】−冷媒循環回路(20)− 冷媒循環回路(20)は、圧縮機(21)と、四路切換弁(22)
と、室外熱交換器(23)と、室外電動膨張弁(EV-1)と、室
内電動膨張弁(EV-2)と、室内熱交換器(24)と、アキュム
レータ(25)とが冷媒配管(26)によって順に接続されて成
る可逆運転可能なメイン冷媒回路(27)を備えている。そ
して、上記室内熱交換器(24)及び室内電動膨張弁(EV-2)
が室内ユニットに設けられる一方、圧縮機(21)等の他の
要素機器が室外ユニットに設けられている。

【００４３】更に、上記冷媒循環回路(20)には、蓄熱冷
媒回路(2a)と、種氷回路(2b)と、ホットガス通路(2c)と
が設けられている。蓄熱冷媒回路(2a)は、後述する冷蓄
熱運転時や冷蓄熱利用の冷房運転時などに冷媒が循環す
る回路であって、一端が室外熱交換器(23)と室外電動膨
張弁(EV-1)との間に、他端が四路切換弁(22)とアキュム
レータ(25)との間に接続されている。そして、蓄熱冷媒
回路(2a)には、第１電磁弁(SV-1)と、過冷却熱交換器(5
0)の予熱部(53)と、膨張機構である蓄熱電動膨張弁(EV-
3)と、過冷却熱交換器(50)の過冷却生成部(54)と、第２
電磁弁(SV-2)とが順に接続されて構成されている。

【００４４】上記種氷回路(2b)は、後述する水循環回路
(30)における種氷を生成するための回路であって、一端
が蓄熱冷媒回路(2a)における蓄熱電動膨張弁(EV-3)と過
冷却熱交換器(50)の過冷却生成部(54)との間に、他端が
過冷却熱交換器(50)と第２電磁弁(SV-2)との間に接続さ
れると共に、キャピラリチューブ(CP)と種氷生成器(13)
が順に接続されて構成されている。

【００４５】上記ホットガス通路(2c)は、冷蓄熱利用の
冷房運転時等に圧縮機(21)の吐出冷媒を過冷却熱交換器
(50)に供給する回路であって、一端が圧縮機(21)の吐出
側に、他端が過冷却熱交換器(50)と第２電磁弁(SV-2)と
の間に接続され、第３電磁弁(SV-3)を備えている。

【００４６】−水循環回路(30)− 上記水循環回路(30)は、図２に示すように、蓄熱槽(31)
と、ポンプ(32)と、過冷却熱交換器(50)と、過冷却解消
器(34)とが水配管(35)によって蓄熱媒体である水の循環
( 図２の矢印参照) が可能に順に接続されて構成されて
いる。

【００４７】そして、本発明に係る上記過冷却熱交換器
(50)は、後述するように、縦型のシェルアンドチューブ
型熱交換器であって、本発明でいうところの予熱空間で
ある予熱部(53)と、冷却空間である過冷却生成部(54)と
が一体的に形成されている。

【００４８】上記種氷生成器(13)は、過冷却熱交換器(5
0)の下流側に位置して水配管(35)に取り付けられ、水配
管(35)を流れる水の一部を冷媒循環回路(20)の冷媒によ
り冷却氷化し、それを種氷として過冷却解消器(34)に向
かって供給するように構成されている。

【００４９】上記過冷却解消器(34)は、中空円筒状の容
器より構成され、接線方向に導入した水が旋回流となる
ように構成されている。そして、過冷却解消器(34)は、
種氷生成器(13)で生成された種氷と過冷却熱交換器(50)
で生成された過冷却水とを撹拌して過冷却を解消するよ
うに構成されている。

【００５０】−過冷却熱交換器(50)− 次に、過冷却熱交換器(50)について説明する。

【００５１】図３に示すように、シェルアンドチューブ
型熱交換器である過冷却熱交換器(50)は、シェルとし
て、上下方向に延びる密閉型の円筒形状の容器(48)を備
えている。

【００５２】この容器(48)の上下両端部には、容器(48)
の上面(48a) と出口側仕切板である出口管板(43)とによ
って区画形成された水出口部(41)と、容器(48)の下面(4
8b)と入口側仕切板である入口管板(42)とによって区画
形成された水入口部(51)とが設けられている。また、入
口管板(42)と出口管板(43)との間には、中央仕切板であ
る中央管板(70)が容器(48)の延長方向に直交するように
設けられている。そして、この中央管板(70)と入口管板
(42)との間に予熱部(53)が区画形成されると共に、中央
管板(70)と出口管板(43)との間に過冷却生成部(54)が区
画形成されている。

【００５３】そして、容器(48)内には、入口管板(42)、
中央管板(70)および出口管板(43)に挿入され、水入口部
(51)と水出口部(41)との間を上下方向に延びた複数の伝
熱管(49)が設けられている。各伝熱管(49)は、隣り合う
伝熱管(49)との間に一定の間隔を隔てて、互いに平行に
配置されている。各伝熱管(49)の一端は水入口部(51)と
連通し、他端は水出口部(41)と連通し、水入口部(51)と
水出口部(41)との間で水の流通が可能である。

【００５４】予熱部(53)および過冷却生成部(54)の伝熱
管(49)の外壁には、管の軸方向に一定間隔で並んだ複数
のフィン(59)が形成されている。一方、伝熱管(49)の内
部には、水の流れを伝熱管の軸方向に螺旋状に旋回させ
るように形成された樹脂棒が挿入されている。この樹脂
棒の外周面には、伝熱管(49)の半径方向に凸状の複数の
螺旋突条が形成されている。また、この樹脂棒は、伝熱
管(49)の軸方向の長さと略一致する長さに形成されてい
る。

【００５５】容器(48)の下方には、水の入口となる水入
口管(44)が設けられている。また、容器(48)の上方に
は、水の出口となる水出口管(45)が設けられている。水
入口管(44)および水出口管(45)は、互いに平行で、容器
(48)の延長方向に対して直交する方向に設けられてい
る。

【００５６】また、中央管板(70)の下部に位置する予熱
部(53)には、入口管板(42)を隔てて水入口管(44)の上方
に位置する予熱部出口管(47)と、この予熱部出口管(47)
に対して容器(48)の反対側に位置する予熱部入口管(46)
とが設けられている。なお、予熱部出口管(47)は予熱部
入口管(46)よりも高い位置に設けられている。そして、
予熱部(53)における容器(48)内の伝熱管(49)の外側空間
には、入口管板(42)と中央管板(70)との間で区画される
予熱部の冷媒流通部(57)が形成されている。この予熱部
の冷媒流通部(57)は、予熱部入口管(46)および予熱部出
口管(47)と連通し、冷媒が流通可能な構成となってい
る。

【００５７】一方、中央管板(70)の上部に位置する過冷
却生成部(54)には、中央管板(70)を隔てて予熱部出口管
(47)の上方に位置する過冷却生成部入口管(55)と、この
過冷却生成部入口管(55)に対して容器(48)の反対側に位
置する過冷却生成部出口管(56)とが設けられている。過
冷却生成部出口管(56)は過冷却生成部入口管(55)よりも
高い位置に設けられている。そして、過冷却生成部(54)
における容器(48)内の伝熱管(49)の外側空間には、中央
管板(70)と出口管板(43)との間で区画される過冷却生成
部の冷媒流通部(58)が形成されている。この過冷却生成
部の冷媒流通部(58)は、過冷却生成部入口管(55)および
過冷却生成部出口管(56)と連通し、冷媒が流通可能な構
成となっている。

【００５８】次に、図４に中央管板(70)の構造を示す。
この中央管板(70)は、三層構造になっており、過冷却生
成部(54)に面する上層(71)、予熱部(53)に面する下層(7
2)、および上層(71)と下層(72)との間に挟まれた中間層
(73)から形成される。上層(71)および下層(72)は、入口
管板(42)および出口管板(43)を形成する材料、例えばＳ
Ｍ材（溶接構造用圧延材料）で形成される一方、中間層
(73)は入口管板(42)および出口管板(43)を形成する材料
よりも熱伝導率が低い材料、例えばＳＵＳ材（ステンレ
ス鋼材料）で形成され、断熱層となっている。つまり、
中央管板(70)は、入口管板(42)および出口管板(43)より
も熱通過率が低くなるように構成され、予熱部(53)と過
冷却生成部(54)との間を断熱するように構成されてい
る。

【００５９】−運転動作− 次に、上述した蓄熱式空気調和装置(10)の運転動作につ
いて説明する。まず、過冷却熱交換器(50)を用いた冷蓄
熱運転について説明する。

【００６０】−冷蓄熱運転− この運転モードでは、図５に示すように、四路切換弁(2
2)が実線側に切り換えられ、蓄熱電動膨張弁(EV-3)が所
定開度に調整される一方、他の電動膨張弁(EV-1 ，EV-
2) を閉鎖する。また、第１及び第２電磁弁(SV-1 ，SV-
2) は開口し、第３電磁弁(SV-3)は閉鎖している。

【００６１】−冷媒循環回路(20)の動作− この状態において、冷媒循環回路(20)では、圧縮機(21)
から吐出した冷媒は、図５に矢印で示すように、室外熱
交換器(23)で外気と熱交換して凝縮する。その後、この
冷媒は、第一電磁弁(SV-1)を通過した後、過冷却熱交換
器(50)の予熱部入口管(46)から予熱部の冷媒流通部(57)
に流入する。

【００６２】予熱部の冷媒流通部(57)に流入した高温の
冷媒は、予熱部(53)で水を加熱する。そして、予熱部の
冷媒流通部(57)を通過し、予熱部出口管(47)を通過して
いったん過冷却熱交換器(50)の外に流出した後、蓄熱電
動膨張弁(EV-3)で減圧し、過冷却熱交換器(50)の過冷却
生成部入口管(55)を経て、過冷却生成部の冷媒流通部(5
8)に流入する。そこで、過冷却生成部(54)に流入した上
記冷媒は、伝熱管(49)内を流れる水を過冷却状態( 例え
ば−２℃) まで冷却しながら、冷媒流通部(58)で気液界
面(G) を形成しつつ、水と熱交換して蒸発する。そし
て、蒸発した冷媒は、過冷却生成部出口管(56)から過冷
却熱交換器(50)の外部に流出する。

【００６３】その後、この冷媒は、アキュムレータ(25)
を経て圧縮機(21)に吸入される。

【００６４】また、本運転にあっては、冷媒の一部が、
蓄熱電動膨張弁(EV-3)の下流側から種氷回路(2b)に分流
し、キャピラリチューブ(CP)により減圧した後、種氷生
成器(13)で蒸発して、アキュムレータ(25)を経て圧縮機
(21)に吸入される。この種氷生成器(13)において、冷媒
は、水配管(35)を流れる水と熱交換し、氷塊を水配管(3
5)の内壁面に生成する。

【００６５】−水循環回路(30)の動作− 一方、水循環回路(30)では、ポンプ(32)を駆動すること
により、蓄熱媒体である水を循環させる。蓄熱槽(31)か
ら流出した水は、ポンプ(32)を経て、過冷却熱交換器(5
0)の水入口管(44)から水入口部(51)に流入する。

【００６６】そして、水入口部(51)の水は、各伝熱管(4
9)内に流入して螺旋状の流路を上向きに流れる。そし
て、予熱部(53)で予熱部の冷媒流通部(57)を流れる高温
の冷媒によって加熱されて、氷核を含まない水だけの状
態になる。つまり、仮に過冷却熱交換器(50)内に氷核が
流入したとしても、この氷核は予熱部(53)において加熱
されて融解し、過冷却生成部(54)に氷核が混入すること
が回避される。そして、予熱部(53)を通過した水は、過
冷却生成部(54)で過冷却生成部の冷媒流通部(58)を流れ
る低温の冷媒と熱交換して冷却され、所定の過冷却状態
になって水出口部(52)で合流し、水出口管(45)から過冷
却熱交換器(50)の外部に流出する。

【００６７】そして、過冷却熱交換器(50)から流出した
過冷却状態の水は、種氷生成器(13)において更に冷却さ
れ、氷塊を水配管(35)の内壁面に生成する。その後、こ
の氷塊の周囲で種氷が生成され、この種氷を含んだ過冷
却水は過冷却解消器(34)に供給される。そして、過冷却
解消器(34)において、種氷と過冷却水とが撹拌され、蓄
熱用のスラリー状の氷が生成されて蓄熱槽(31)に回収貯
留される。

【００６８】以上のようにして、過冷却熱交換器(50)を
用いた冷蓄熱運転が行われる。

【００６９】次に、蓄熱式空気調和装置(10)の他の運転
動作について概略説明する。

【００７０】−通常冷房運転− この運転モードでは、冷媒循環回路(20)のみを動作さ
せ、水循環回路(30)は動作を行わない。

【００７１】この運転モードでは、四路切換弁(22)が図
１の実線側に切り換えられ、室内電動膨張弁(EV-2)が過
熱度制御され、室外電動膨張弁(EV-1)を全開状態に、蓄
熱電動膨張弁(EV-3)を全閉状態に制御する。一方、各電
磁弁(SV-1 ，SV-2，SV-3) は共に閉鎖している。

【００７２】この状態において、圧縮機(21)から吐出さ
れた冷媒は、室外熱交換器(23)で外気と熱交換して凝縮
する。その後、この冷媒は室内電動膨張弁(EV-2)で減圧
した後、室内熱交換器(24)で蒸発して、アキュムレータ
(25)を経て圧縮機(21)に吸入される。この循環動作によ
って、蓄熱式空気調和装置(10)は室内の冷房を行う。

【００７３】−冷蓄熱利用冷房運転− この運転モードでは、図６に示すように、四路切換弁(2
2)を実線側に切り換え、室内電動膨張弁(EV-2)を所定開
度に制御し、他の電動膨張弁(EV-1 ，EV-3) を全開にす
る。また、第１及び第３電磁弁(SV-1 ，SV-3) は開口
し、第２電磁弁(SV-2)は閉鎖する。

【００７４】この状態で、水循環回路(30)においては、
ポンプ(32)を駆動して冷水を循環する。蓄熱槽(31)内の
冷水はポンプ(32)を経た後、過冷却熱交換器(50)の水入
口部(51)に流入する。そして、予熱部(53)および過冷却
生成部(54)を通過し、予熱部の冷媒流通部(57)および過
冷却生成部の冷媒流通部(58)を流れる冷媒を冷却して、
自らは加熱される。その後、加熱された水は過冷却熱交
換器(50)を流出し、過冷却解消器(34)を通過して蓄熱槽
(31)に戻る。そして、加熱された水は蓄熱槽(31)内に貯
留された氷と熱交換して冷却され、冷水となって、再び
蓄熱槽(31)から流出して水循環回路を循環する。

【００７５】一方、冷媒循環回路(20)においては、圧縮
機(21)から吐出された冷媒は、図６に矢印で示すよう
に、その一部が、四路切換弁(22)を経て室外熱交換器(2
3)に流れ、室外熱交換器(23)で外気と熱交換して凝縮す
る。また、他の吐出冷媒は、ホットガス通路(2c)を経
て、過冷却熱交換器(50)の過冷却生成部および予熱部の
冷媒流通部(57,58) を流れ、水循環回路(30)を循環する
冷水と熱交換を行って凝縮する。そして、上記室外熱交
換器(23)と過冷却熱交換器(50)で凝縮した冷媒は、合流
して室内電動膨張弁(EV-2)で減圧された後、室内熱交換
器(24)で蒸発し、室内空気を冷却した後、アキュムレー
タ(25)を経て圧縮機(21)に吸入される。

【００７６】以上の動作によって、蓄熱槽(31)内に貯留
された氷の冷熱を利用した室内冷房運転が行われる。

【００７７】−通常暖房運転− この運転モードでは、水循環回路(30)は動作させず、冷
媒循環回路(20)のみを動作させる。

【００７８】この運転モードでは、四路切換弁(22)を図
１の破線側に切り換え、室外電動膨張弁(EV-1)を所定開
度に制御し、室内電動膨張弁(EV-2)を全開状態に、蓄熱
電動膨張弁(EV-3)を全閉状態に制御する。一方、各電磁
弁(SV-1 ，SV-2，SV-3) は共に閉鎖している。

【００７９】この状態において、圧縮機(21)から吐出さ
れた冷媒は、室内熱交換器(24)に流れて室内空気と熱交
換して凝縮し、室内空気を加熱する。その後、この冷媒
は、室外電動膨張弁(EV-1)で減圧した後、室外熱交換器
(23)で外気と熱交換して蒸発する。その後、冷媒はアキ
ュムレータ(25)を経て圧縮機(21)に吸入される。このよ
うな冷媒の循環動作によって室内の暖房を行う。

【００８０】以上が蓄熱式空気調和装置(10)の運転動作
である。

【００８１】このように、本発明の過冷却熱交換器(50)
によれば、シェルアンドチューブ型の熱交換器本体内
に、氷核を含んだ水を加熱して氷核を融解する予熱部(5
3)と、水を冷却して過冷却状態にする過冷却生成部(54)
とを一体的に設けたことにより、水循環回路(30)の大き
さを低減することができる。そのため、水循環回路(30)
の設置スペースを小さくすることができるので、蓄熱式
空気調和装置(10)全体をコンパクトに構成することがで
きる。

【００８２】また、水循環回路(30)の構成をより単純化
することができ、蓄熱式空気調和装置(10)の信頼性を高
めることができる。

【００８３】さらに、蓄熱式空気調和装置(10)のコスト
を低減することができる。

【００８４】また、中央管板(70)に入口管板(42)および
出口管板(43)の材料よりも熱伝導率が低い材料で形成さ
れた層を設けたことにより、中央管板(70)の熱通過率は
小さくなり、予熱部(53)と過冷却生成部(54)との間の熱
損失は抑制される。つまり、予熱部の冷媒流通部(57)を
流れる高温の冷媒と、過冷却生成部の冷媒流通部(58)を
流れる低温の冷媒との間で熱交換は行われにくい。その
ため、予熱部(53)と過冷却生成部(54)とを中央管板(70)
を隔てて隣接するように構成することができ、過冷却熱
交換器(50)を一層コンパクトにすることが可能となる。

【００８５】なお、本実施形態１では、中央管板(70)の
構造を中間層(73)のみを低熱伝導率の材料で形成した三
層構造としたが、図７（ａ）または（ｂ）に示すよう
に、上層(75)または下層(76)のみを低熱伝導率の材料で
形成した二層構造にしてもよい。

【００８６】また、中央管板(70)の製造時に中間層(73)
の厚みを調整することにより、中央管板(70)の熱通過率
を自由に設定することができる。

【００８７】さらに、本実施形態１では、予熱部(53)に
おける水の加熱と過冷却生成部(54)における水の過冷却
とを同一の冷媒循環回路(20)を流れる冷媒により行った
が、別々の冷媒循環回路を用いることも可能である。つ
まり、予熱部(53)には第一の冷媒循環回路を接続する一
方、過冷却生成部(54)には第二の冷媒循環回路を接続し
てもよい。また、予熱部(53)における水の加熱は、他の
加熱手段、例えばヒータ等で行ってもよい。

【００８８】

【発明の実施の形態２】図８に実施形態２の熱交換器(5
0)を示す。この熱交換器(50)は、実施形態１の熱交換器
(50)の中央管板(70)に代えて、入口管板および出口管板
に平行な下部管板(88)および上部管板(89)が設けられて
いる。そして、予熱部(53)と過冷却生成部(54)との間
に、下部管板(88)および上部管板(89)によって隔てられ
た攪拌部(84)が設けられている。つまり、予熱空間側の
仕切板である下部管板(88)と冷却空間側の仕切板である
上部管板(89)とによって、攪拌部(84)が区画形成されて
いる。なお、下部管板(88)および上部管板(89)には、入
口管板および出口管板と同様に、ＳＭ材が用いられる。

【００８９】また、本実施形態２の熱交換器(50)では、
実施形態１の熱交換器(50)と異なり、伝熱管は水入口部
と水出口部とを直接連通していない。実施形態２の熱交
換器(50)では、入口管板および下部管板(88)に挿入さ
れ、水入口部(51)と攪拌部(84)とを連通する予熱部伝熱
管(86)と、上部管板(89)および出口管板に挿入され、水
出口部(52)と攪拌部(84)とを連通する過冷却生成部伝熱
管(87)とが設けられている。

【００９０】攪拌部(84)には、予熱部伝熱管(86)の下流
端の開口(86)と、過冷却生成部伝熱管(87)の上流側の開
口(92)が設けられ、予熱部伝熱管(86)を流れた水が攪拌
部(84)で攪拌した後に過冷却生成部伝熱管(87)に流入す
るように構成されている。

【００９１】その他の構成は、実施形態１の熱交換器(5
0)と同様なので説明を省略する。

【００９２】次に、本熱交換器(50)の動作を説明する。

【００９３】本熱交換器(50)では、水入口部(51)に流入
した水は、各々の予熱部伝熱管(86)に流入し、予熱部(5
3)を流れる高温の冷媒によって加熱される。そして、各
々の予熱部伝熱管(86)で加熱された後、攪拌部(84)で合
流する。この際、予熱部(53)において、管内に流入した
氷核を融解しきれなかった伝熱管(86)があったとして
も、この伝熱管(86)を通過した水は他の伝熱管(86)を通
過して予熱された水と攪拌部(84)でよく混合されるの
で、過冷却生成部伝熱管(87)に流入する際には氷核は存
在しない状態となる。そして、このように攪拌部(84)で
攪拌された水は、氷核を含まず完全に水だけの状態にな
って、過冷却生成部伝熱管(87)内で過冷却生成部を流れ
る低温の冷媒によって所定の過冷却状態になるまで冷却
され、水出口部(52)を経た後、熱交換器(50)の外部に流
出する。

【００９４】以上のように、本熱交換器(50)では、予熱
部(53)と過冷却生成部(54)との間に攪拌部(84)を設けた
ことにより、予熱部(53)で融解しきれなかった氷核は、
予熱された水と攪拌部(84)で混合して完全に融解するの
で、過冷却生成部(54)に氷核が混入することはない。

【００９５】そのため、実施形態２の熱交換器(50)で
は、実施形態１で述べた効果に加えて、過冷却生成部(5
4)での伝熱管内流路の閉塞の危険性は格段に低下する。
また、予熱部(53)と過冷却生成部(54)とは隣り合っては
いないので、予熱部(53)と過冷却生成部(54)との間の熱
損失は少なく、効率的な製氷動作が可能である。

【００９６】なお、上部管板(89)および下部管板(88)に
対し、実施形態１の中央管板(70)と同様にして断熱手段
を設けてもよい。

【００９７】この場合、蓄熱媒体たる水を加熱または冷
却するために使うべき冷媒の温熱または冷熱の一部が上
部管板(89)または下部管板(88)の加熱または冷却に消費
されてしまうことがなく、予熱部(53)と過冷却生成部(5
4)との間の熱損失が発生しないので、効率的な製氷動作
が可能である。

【００９８】

【発明の実施の形態３】図９に示すように、実施形態３
の熱交換器は、実施形態１の熱交換器(50)の中央管板(7
0)を、樹脂材料で形成された層(103) を含む中央管板(7
0)に置き換えたものである。

【００９９】実施形態３の熱交換器の中央管板(70)は、
ＳＭ材で形成された上層(71)、テフロン等の樹脂材料で
形成された中間層(103) 、およびＳＭ材で形成された下
層(72)が順に積層されて構成されている。中間層(103)
の熱通過率は上層(71)や下層(72)の熱通過率に比べて著
しく低くなるように構成されており、予熱部と過冷却生
成部との間を断熱するように構成されている。

【０１００】そのため、中央管板(70)全体の熱通過率は
低いので、中央管板(70)の断熱性能は高く、予熱部と過
冷却生成部との間の熱損失は発生しにくい。従って、実
施形態３の熱交換器においても、実施形態１の熱交換器
(50)と同様に、効率的な製氷動作が可能である。

【０１０１】なお、本実施形態では、中央管板(70)の構
造を中間層(103) のみを樹脂材料で形成した三層構造と
したが、図１０（ａ）または（ｂ）に示すように、上層
(71)または下層(72)のみを樹脂材料で形成した二層構造
にしてもよい。

【０１０２】また、実施形態２の上部管板(89)および下
部管板(88)に対しても、上記と同様にして、樹脂材料で
形成された層(103) を含む管板を使用してもよい。その
結果、上部管板(89)および下部管板(88)の断熱性能が向
上する。

【０１０３】

【発明の実施の形態４】実施形態４の熱交換器は、図１
１に示すように、実施形態１の熱交換器(50)の中央管板
(70)を、伝熱管が貫通していない部分に空洞(111) を含
む中央管板(70)に置き換えたものである。中央管板(70)
の板部材(112) には、ＳＭ材やＳＵＳ材等を用いる。

【０１０４】この中央管板(70)は、空洞(111) を含むこ
とにより、熱通過率が入口管板(42)や出口管板(43)の熱
通過率に比べて低くなっている。

【０１０５】また、この空洞(111) には、空気、窒素、
ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスなど、板部材(112)
に対して酸化性や腐食性のない気体を充填することが好
ましい。この空洞(111) に熱伝導率が低い媒体である気
体を充填することにより、中央管板(70)の熱通過率を非
常に低くすることができる。

【０１０６】更には、この空洞(111) の内部を真空状態
にすることが好ましい。このように空洞(111) の内部を
真空状態にすることにより、中央管板(70)の熱通過率を
著しく低下させることが可能となる。

【０１０７】本実施形態４の熱交換器では、実施形態１
で述べた効果に加えて、中央管板(70)の熱通過率が非常
に低いので、中央管板(70)の断熱性能は非常に高い。そ
のため、予熱部と過冷却生成部との間の熱損失を効果的
に抑制することが可能である。従って、製氷運転を効率
的に行うことができ、蓄熱式空気調和装置の製氷性能を
向上することが可能となる。

【０１０８】なお、本実施形態４においても、中央管板
(70)の板部材(112) を、実施形態１または実施形態３で
述べたような、低熱伝導率の材料で形成された中間層を
含む三層構造や、樹脂材料で形成された中間層を含む三
層構造にしてもよい。

【０１０９】また、実施形態２の上部管板(89)および下
部管板(88)に対しても、上記と同様にして、断熱性能を
向上させることができる。

【０１１０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば以下のような効果が発揮される。

【０１１１】請求項１に記載の発明によれば、蓄熱媒体
を加熱する予熱空間と、蓄熱媒体を冷却する冷却空間と
が一体的に構成されているので、蓄熱媒体の循環回路の
設置スペースを小さくすることができ、蓄熱式空気調和
装置全体のサイズをコンパクトにすることが可能とな
る。また、従来は必要であった予熱器と予熱器を接続す
るための水配管等とを別途設ける必要がないので、水循
環回路を簡単化することができ、蓄熱式空気調和装置の
信頼性が高まる。さらに、蓄熱式空気調和装置のコスト
を低減することができる。

【０１１２】請求項２に記載の発明によれば、同一の冷
媒循環回路を循環する冷媒によって、予熱空間での蓄熱
媒体の加熱、および冷却空間における蓄熱媒体の冷却を
行うことができるので、更に装置のコンパクト化を達成
することができる。

【０１１３】請求項３に記載の発明によれば、予熱空間
と冷却空間とは中央仕切板を介して隣接するので、装置
のコンパクト化が達成される。また、伝熱管が一体物で
あるので、熱交換器の構造が簡単になり、製造コストを
低減することができる。

【０１１４】請求項４に記載の発明によれば、予熱空間
から冷却空間に流れる蓄熱媒体を攪拌する攪拌部が設け
られているので、予熱空間で融解しきれなかった氷核は
攪拌部で攪拌されて融解するので、冷却空間への氷核の
混入を防止することができる。そして、熱交換器内での
蓄熱媒体の凍結および流路の閉塞を防止することができ
る。

【０１１５】請求項５に記載の発明によれば、予熱空間
と攪拌部および攪拌部と冷却空間の間が断熱されている
ので、それらの間での熱損失は発生せず、効率的な製氷
運転が可能となる。

【０１１６】請求項６に記載の発明によれば、予熱空間
の伝熱管の流出側端部が攪拌部に臨む一方、冷却空間の
伝熱管(87)の流入側端部が攪拌部に臨んでいるので、予
熱空間で加熱された蓄熱媒体が攪拌部で合流し、攪拌部
での攪拌を良好に行うことができる。その結果、冷却空
間への氷核の混入を確実に防止できる。

【０１１７】請求項７に記載の発明によれば、中央仕切
板に断熱手段が施されているので、予熱空間と冷却空間
との間の熱損失は発生せず、効率的な製氷運転が可能と
なる。

【０１１８】請求項８に記載の発明によれば、断熱手段
は入口側仕切板および出口側仕切板よりも熱伝導率が低
い材料で形成された断熱層であるので、予熱空間と冷却
空間との間の断熱を良好に行うことができる。

【０１１９】請求項９に記載の発明によれば、断熱層
は、樹脂材料で形成されているので、予熱空間と冷却空
間との間の断熱を良好に行うことができる。

【０１２０】請求項１０に記載の発明によれば、断熱手
段は中央仕切板の内部に形成された空洞であるので、予
熱空間と冷却空間との間の断熱を良好に行うことができ
る。

【０１２１】請求項１１に記載の発明によれば、断熱手
段は予熱空間側の仕切板および冷却空間側の仕切板の内
部に形成された空洞であるので、予熱空間と冷却空間と
の間の断熱を良好に行うことができる。

【０１２２】請求項１２に記載の発明によれば、空洞に
気体が充填されているので、予熱空間と冷却空間との間
の断熱を良好に行うことができる。

【０１２３】請求項１３に記載の発明によれば、空洞は
真空状態になっているので、予熱空間と冷却空間との間
の断熱を更に良好に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】蓄熱式空気調和装置の冷媒回路および水循環回
路を示す図である。

【図２】水循環回路を示す図である。

【図３】実施形態１の熱交換器を示す図である。

【図４】中央管板の断面図である。

【図５】冷蓄熱運転時の冷媒の循環を示す図である。

【図６】冷蓄熱利用冷房運転時の冷媒の循環を示す図で
ある。

【図７】（ａ）および（ｂ）は中央管板の変形例の断面
図である。

【図８】実施形態２の熱交換器を示す図である。

【図９】実施形態３の熱交換器の中央管板の断面図であ
る。

【図１０】（ａ）および（ｂ）は中央管板の変形例の断
面図である。

【図１１】実施形態４の熱交換器の中央管板の断面図で
ある。

【図１２】従来の蓄熱式空気調和装置の水循環回路図で
ある。

【符号の説明】

42 入口管板 43 出口管板 48 密閉型容器 49 伝熱管 53 予熱部 54 過冷却生成部 70 中央管板 71 上層 72 下層 73 中間層 84 攪拌部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２８Ｆ 9/26 Ｆ２８Ｆ 9/26

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄熱媒体が循環して冷熱を蓄える蓄熱媒
   体循環回路(30)と、冷媒が循環する冷媒循環回路(20)と
   に接続され、 上記冷媒と蓄熱媒体とを熱交換させるシェルアンドチュ
   ーブ型熱交換器において、 シェル(48)内に複数の仕切板(42,43,70,88,89)が設けら
   れて該シェル(48)内に蓄熱媒体の予熱空間(53)と冷却空
   間(54)とが形成され、 該予熱空間(53)と冷却空間(54)とには、仕切板(42,43,7
   0,88,89)の間に亘る複数の伝熱管(49,86,87)がそれぞれ
   設けられ、 上記シェル(48)には、蓄熱媒体が予熱空間(53)の伝熱管
   (49,86) 内から冷却空間(54)の伝熱管(49,87) 内を流れ
   るように蓄熱媒体循環回路(30)が接続される一方、 上記シェル(48)には、予熱空間(53)の蓄熱媒体を所定温
   度に加熱する加熱手段が設けられると共に、冷却空間(5
   4)の蓄熱媒体より低温の冷媒が冷却空間(54)の伝熱管(4
   9 、87)外を流れて該蓄熱媒体を所定温度に冷却するよう
   に冷媒循環回路(20)が接続されていることを特徴とする
   シェルアンドチューブ型熱交換器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 加熱手段は前記冷媒循環回路(20)から成り、 該冷媒循環回路(20)は、予熱空間(53)の蓄熱媒体より高
   温の冷媒が予熱空間(53)の伝熱管(49,86) 外を流れて該
   蓄熱媒体を所定温度に加熱するようにシェル(48)に接続
   されていることを特徴とするシェルアンドチューブ型熱
   交換器。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 予熱空間(53)と冷却空間(54)とは、蓄熱媒体の入口側仕
   切板(42)と出口側仕切板(43)と中央仕切板(70)とによっ
   て区画形成される一方、 予熱空間の伝熱管(49)と冷却空間の伝熱管(49)とは、一
   体物で形成されていることを特徴とするシェルアンドチ
   ューブ型熱交換器。
4. 【請求項４】 請求項２に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 予熱空間(53)と冷却空間(54)との間には、予熱空間側の
   仕切板(88)と冷却空間側の仕切板(89)とによって区画形
   成され、予熱空間(53)から冷却空間(54)に流れる蓄熱媒
   体を攪拌する攪拌部(84)が設けられていることを特徴と
   するシェルアンドチューブ型熱交換器。
5. 【請求項５】 請求項４に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、予熱空間側の仕切板(88)および冷
   却空間側の仕切板(89)には、断熱手段が施されているこ
   とを特徴とするシェルアンドチューブ型熱交換器。
6. 【請求項６】 請求項４に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 予熱空間の伝熱管(86)は、流出側端部(91)が攪拌部(84)
   に臨み、 冷却空間の伝熱管(87)は、流入側端部(92)が攪拌部(84)
   に臨んでいることを特徴とするシェルアンドチューブ型
   熱交換器。
7. 【請求項７】 請求項２に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 予熱空間(53)と冷却空間(54)とは、蓄熱媒体の入口側仕
   切板(42)と出口側仕切板(43)と中央仕切板(70)とによっ
   て区画形成される一方、 上記中央仕切板(70)には、断熱手段が施されていること
   を特徴とするシェルアンドチューブ型熱交換器。
8. 【請求項８】 請求項５または７のいずれか一つに記載
   のシェルアンドチューブ型熱交換器において、 断熱手段は、入口側仕切板(42)および出口側仕切板(43)
   の材料よりも熱伝導率が低い材料より成る断熱層(73,7
   5,76,103,105,106)であることを特徴とするシェルアン
   ドチューブ型熱交換器。
9. 【請求項９】 請求項８に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 断熱層(103,105,106) は、樹脂材料で形成されているこ
   とを特徴とするシェルアンドチューブ型熱交換器。
10. 【請求項１０】 請求項７に記載のシェルアンドチュー
    ブ型熱交換器において、 断熱手段は、中央仕切板(70)の内部に形成された空洞(1
    11) であることを特徴とするシェルアンドチューブ型熱
    交換器。
11. 【請求項１１】 請求項５に記載のシェルアンドチュー
    ブ型熱交換器において、 断熱手段は、予熱空間側の仕切板(88)および冷却空間側
    の仕切板(89)の内部に形成された空洞(111) であること
    を特徴とするシェルアンドチューブ型熱交換器。
12. 【請求項１２】 請求項１０または１１のいずれか一つ
    に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器において、 空洞(111) には、気体が充填されていることを特徴とす
    るシェルアンドチューブ型熱交換器。
13. 【請求項１３】 請求項１２に記載のシェルアンドチュ
    ーブ型熱交換器において、 空洞(111) は、真空状態になっていることを特徴とする
    シェルアンドチューブ型熱交換器。