JPH1089728A - 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。この種の装置において、水循
環回路の設置スペースを小さくし、コストを低減する。 【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。そして、予熱空
間(53)と冷却空間(54)との間に水の流れを整流する整流
空間(70)を設けた。整流空間(70)は、予熱空間(53)を流
れてきた乱流状態の水を整流し、冷却空間(54)を流れる
水を層流状態にする。

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源
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。そして、水循環回路として、図１３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) 、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。

【０００４】上記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水を予
熱器(b) で加熱して、氷水に含まれる氷核を融解する。
そして更に、この氷水を攪拌器(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) において冷媒と熱交換して過
冷却状態になるまで冷却する。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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の熱交換
器では、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。また、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課題があった。

【０００６】そこで、上記課題を解決するために、本出
願人は、シェルアンドチューブ型熱交換器を予熱器と一
体化して構成することを案出した。つまり、一つの熱交
換器内に蓄熱媒体を予熱する予熱部と過冷却する過冷却
生成部とを設けることを考え出した。

【０００７】ところで、予熱器では、蓄熱媒体に含まれ
る氷核を確実に融解するために、蓄熱媒体の流れを乱流
にすることが望ましい。一方、過冷却熱交換器では安定
した過冷却状態を保つために、蓄熱媒体の流れを層流に
することが好ましい。従って、上記の予熱部と過冷却生
成部とを有する熱交換器においても、蓄熱媒体の流れを
予熱部では乱流にし、過冷却生成部では層流にすること
が望ましい。

【０００８】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、予熱部と過冷却生成
部とを備えた熱交換器において、予熱部では蓄熱媒体を
乱れた状態で予熱し、過冷却生成部では蓄熱媒体を安定
した状態で過冷却することができる熱交換器を提供する
ことである。

【０００９】

【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、予熱空間(53)から流出した蓄熱媒体を整
流した後、冷却空間(54)に流入させる構成とした。

【００１０】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(42,43,60,63,64)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
3,60,63,64)の間に亘る複数の伝熱管(49,49a,49b)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(49,49a)内から冷却空間(54)の伝熱管
(49,49b)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
媒体より高温の冷媒が予熱空間の伝熱管(49,49a)外を流
れて蓄熱媒体を所定温度に加熱するように冷媒循環回路
(20)が接続されると共に、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 、49b) 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(2
0)が接続され、上記予熱空間(53)と冷却空間(54)との間
には、蓄熱媒体の流れを整流する整流空間(70)が設けら
れている構成としたものである。

【００１１】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、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(6
0)とによって区画形成され、予熱空間の伝熱管(49)と冷
却空間の伝熱管(49)とは、連続する一体物で形成される
一方、整流空間(70)は、予熱空間(53)と冷却空間(54)と
の間に位置して伝熱管(49)内に形成されている構成とし
たものである。

【００１２】また、請求項３に記載の発明が講じた手段
は、請求項１又は２に記載のシェルアンドチューブ型熱
交換器において、整流空間(70)に、蓄熱媒体の流れを整
流する整流手段(71)が設けられた構成としたものであ
る。

【００１３】また、請求項４に記載の発明が講じた手段
は、請求項３に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、整流手段(71)は、多数の貫通孔を有する抵抗
体(74)からなる構成としたものである。

【００１４】また、請求項５に記載の発明が講じた手段
は、請求項３に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、整流手段(71)は網構造を有する構成としたも
のである。

【００１５】また、請求項６に記載の発明が講じた手段
は、請求項３に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、整流手段(71)は多孔質体(73)からなる構成と
したものである。

【００１６】また、請求項７に記載の発明が講じた手段
は、請求項３に記載のシェルアンドチューブ型熱交換器
において、整流手段(71)は、多数のらせん溝(61)を有す
る抵抗体(65)からなる構成としたものである。

【００１７】上記の発明特定事項により、予熱空間(53)
と冷却空間(54)との間において蓄熱媒体が整流されるの
で、予熱空間(53)では蓄熱媒体の流れを乱れた状態にす
ることができ、冷却空間(54)では蓄熱媒体の流れを乱れ
の少ない状態にすることができる。その結果、予熱空間
(53)では蓄熱媒体を乱れた状態で予熱し、冷却空間(54)
では蓄熱媒体を安定した状態で過冷却することができ
る。

【００１８】

【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。

【００１９】−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。

【００２０】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。

【００２１】−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。

【００２２】更に、上記冷媒循環回路(20)には、蓄熱冷
媒回路(2a)と、氷核回路(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。

【００２３】上記氷核回路(2b)は、後述する水循環回路
(30)における氷核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)と氷核生成器(13)
が順に接続されて構成されている。

【００２４】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。

【００２５】−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。

【００２６】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、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。

【００２７】上記氷核生成器(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、それを氷核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。

【００２８】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、
氷核生成器(13)で生成された氷核と過冷却熱交換器(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。

【００２９】−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。

【００３０】図３に示すように、過冷却熱交換器(50)
は、上下方向に延びる密閉型の円筒形状の容器（シェ
ル）(48)を備えている。

【００３１】この容器(48)の上下両端部には、容器(48)
の上面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(52)と、容器(48)の下面と入口側
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(6
0)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。

【００３２】そして、容器(48)内には、入口管板(42)、
中央管板(60)および出口管板(43)に挿入され、水入口部
(51)と水出口部(52)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。伝熱管(49)の一端は水入口部(51)と連
通し、他端は水出口部(52)と連通し、水入口部(51)と水
出口部(52)との間で水の流通が可能となっている。

【００３３】この伝熱管(49)は、予熱部(53)における内
径が過冷却生成部(54)における内径よりも大きく構成さ
れている。そして、予熱部(53)と過冷却生成部(54)との
間では、伝熱管(49)の内径は連続的に減少し、予熱部(5
3)を流れた乱流状態の水が過冷却生成部(54)に移動する
際により乱れの少ない状態になるように滑らかに絞られ
た形状になっている。

【００３４】そして、過冷却生成部(54)に位置する伝熱
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
部構造は以下のようになっている。

【００３５】伝熱管(49)の予熱部(53)に位置する部分の
内部には、図４に示すような、水の流れを伝熱管(49)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(6
1)が挿入されている。この樹脂棒(61)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(65)が形成
されている。この螺旋突条(65)の幅、高さおよびピッチ
は、螺旋突条(65)と伝熱管(49)の内面とで形成される流
路を流れる水が十分な乱流状態となるように設定されて
いる。

【００３６】そして、伝熱管(49)の過冷却生成部(54)に
位置する部分の内部にも、水の流れを伝熱管(49)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(62)が
挿入されている。この樹脂棒(62)の外周面にも同様に、
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。しかし、この螺旋突条の幅、高さ又はピッチ
は、流路を流れる水が層流状態を維持するように設定さ
れている。

【００３７】なお、伝熱管(49)の予熱部(53)に位置する
部分に挿入された樹脂棒(61)の螺旋突条(65)のピッチ
は、過冷却生成部(54)に位置する部分に挿入された樹脂
棒(62)の螺旋突条のピッチよりも大きく、熱交換器(50)
に混入した氷核が伝熱管(49)の内面と接触する確率が大
きくなるように、水の流路が長くなるように形成されて
いる。

【００３８】そして、伝熱管(49)の内部における予熱部
(53)と過冷却生成部(54)との間には、予熱部(53)を流れ
てきた水の流速を減少させ、流れを緩和して整流するよ
うな十分な大きさの整流空間(70)が形成されている。つ
まり、上記予熱部(53)の樹脂棒(61)は、上端が中央管板
(60)の位置よりも一定間隔下がった位置になるように設
定され、この樹脂棒(61)の上端と過冷却生成部(54)の樹
脂棒(62)の下端との間の空間が整流空間(70)になってい
る。

【００３９】容器(48)の下方には、水入口管(44)が設け
られている。また、容器(48)の上方には、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。

【００４０】また、中央管板(60)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(60)とで区画される予熱
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。

【００４１】一方、中央管板(60)の上部に位置する過冷
却生成部(54)には、中央管板(60)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(60)と出口管板(43)と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。

【００４２】−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。

【００４３】−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。

【００４４】−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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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)の下流側から氷核回路(2b)に分流
し、キャピラリチューブ(CP)により減圧された後、氷核
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。この氷核生成器(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
(35)の内壁面に生成する。

【００４８】−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。

【００４９】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。この
際、水は樹脂棒(61)で形成された狭い流路を通過するの
で流速が増加し、乱流状態となる。そして、この水は、
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。

【００５０】その後、樹脂棒(61)で形成された狭い流路
を通過した乱流状態の水は、整流空間(70)に流入する。
この際に、乱流状態の水は整流空間(70)で減速し、穏や
かな流れとなる。つまり、整流される。また、伝熱管(4
9)の内径が連続的に減少しているので、流れはゆっくり
と絞られ、一層穏やかになる。このようにして、乱流状
態の水は過冷却生成部に移動する際に層流状態となる。

【００５１】そして、上記のようにして整流された水
は、過冷却生成部(54)に流入する。過冷却生成部(54)に
流入した水は、層流状態を保ったまま、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
れる。

【００５２】その後、所定の過冷却状態になるまで冷却
された水は、各伝熱管(49)から流出して水出口部(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。

【００５３】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、氷核生成器(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
の氷塊の周囲で氷核が生成され、この氷核を含んだ過冷
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、氷核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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】−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。

【００５７】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。

【００５８】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
された後、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。

【００５９】−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。

【００６０】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)から流出し、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(30)を循環する。

【００６１】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。

【００６２】以上の動作によって、蓄熱槽(31)内に貯留
された氷を冷熱源として利用した室内冷房運転が行われ
る。

【００６３】−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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】以上が蓄熱式空気調和装置(10)の運転動作
である。

【００６７】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熱交換器内に、氷水
を加熱して氷核を融解する予熱部(53)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。また、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。

【００６８】そして、予熱部(53)と過冷却生成部(54)と
の間に、蓄熱媒体の流れを整流する整流空間(70)を設け
たことにより、予熱部(53)で加熱された乱流状態の水を
整流して乱れの少ない流れにした後に、過冷却生成部(5
4)に流入させるので、特に以下のような効果を奏する。

【００６９】つまり、過冷却状態を解消する原因となる
流れの乱れが極めて少ないので、過冷却生成部(54)にお
いて、安定した過冷却状態を実現することができる。そ
のため、水の過冷却状態を安定に保ちながら水と冷媒と
の熱交換を行うことができる。その結果、過冷却状態が
解消して発生する過冷却水の氷化による流路の閉塞を防
止することができる。

【００７０】また、整流空間(70)が設けられていること
により、予熱部(53)における水の流れの乱れが大きくて
も過冷却生成部(54)では乱れがなくなるので、予熱部(5
3)における水の流れの乱れを大きくすることが可能とな
る。そのため、予熱部(53)において、水を十分な乱流状
態にすることができる。その結果、予熱部(53)において
伝熱が促進され、熱交換器(50)に混入した氷核は確実に
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。従って、過冷却生成部(54)において、氷核が基
となる過冷却水の氷化による流路の閉塞を防止すること
ができる。

【００７１】なお、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。

【００７２】また、上記実施形態では、整流空間(70)内
に樹脂棒は挿入されていないが、図７に示すように、整
流空間(70)内に樹脂棒(62)が挿入された形態も可能であ
る。この場合、樹脂棒(62)の挿入が容易になる等の利点
があり、熱交換器(50)の製造コストを低減することが可
能となる。

【００７３】−変形例− 次に、図８に上記の熱交換器(50)の変形例を説明する。
この変形例では、整流空間(70)の中に、水の流れを整流
する整流手段(71)が設けられている。そして整流手段(7
1)として、図９に示すようなメッシュ(72)が用いられて
いる。

【００７４】この熱交換器(50)では、予熱部(53)を流れ
た乱流状態の水は、メッシュ(72)によって整流され、整
流空間(70)内で一層乱れの少ない流れになる。そのた
め、上記の効果をより効率的に達成することができる。

【００７５】また、他の変形例として、メッシュ(72)の
代わりに、多数の貫通孔を有する抵抗体、例えば図１０
に示すような抵抗体(74)を設けてもよい。この抵抗体(7
4)は、中空円筒の胴体(75)に、複数の貫通孔(76)が同心
円状に設けられて構成されている。予熱部(53)から流入
した水は、この貫通孔(76)を通過する際に整流され、層
流状態となって過冷却生成部(54)に流入する。その結
果、上記の効果をより効率的に達成することができる。

【００７６】また、他の変形例として、上記メッシュ(7
2)の代わりに、図１１に示すような多孔質体(73)が設け
られていてもよい。

【００７７】なお、上記のメッシュ(72)、抵抗体(74)、
および多孔質体(73)は、例えばステンレス等の金属や、
ナイロン等の樹脂で形成することができる。

【００７８】更に、他の変形例として、上記メッシュ(7
2)の代わりに、図４に示すような多数のらせん溝(61)を
有する抵抗体(65)が設けられていてもよい。この抵抗体
(65)は、水の流れを伝熱管(49)の軸方向に螺旋状に旋回
させると共に、この水を層流状態にするように、らせん
溝の幅、深さ、又はピッチが設定されて形成されてい
る。

【００７９】

【発明の実施の形態２】図１２に実施形態２の熱交換器
(50)を示す。この熱交換器(50)では、実施形態１の熱交
換器(50)の中央管板(60)に代えて、上部中央管板(63)お
よび下部中央管板(64)が設けられている。そして、上部
中央管板(63)と下部中央管板(64)との間に整流空間(70)
が区画形成されている。さらに、この整流空間(70)に
は、容器(48)の延長方向に直交するように、メッシュで
形成された整流手段(71)が形成されている。

【００８０】また、本熱交換器(50)では、伝熱管は、一
本の伝熱管が予熱部(53)および過冷却生成部(54)に延び
て構成されるのではなく、主に予熱部(53)に位置する予
熱部伝熱管(49a) 、および主に過冷却生成部(54)に位置
する過冷却部伝熱管(49b) の二つの伝熱管群から構成さ
れている。なお、予熱部伝熱管(49a) の内径は過冷却部
伝熱管(49b) の内径よりも大きい。

【００８１】そして、予熱部伝熱管(49a) の下流端は整
流空間(70)内で開口し、水入口部(51)と整流空間(70)と
の間で水の流通が可能となっている。また、過冷却部伝
熱管(49b) の上流端は整流空間(70)内で開口し、整流空
間(70)と水出口部(52)との間で水の流通が可能になって
いる。

【００８２】過冷却部伝熱管(49b) 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)が設けられて
いる。

【００８３】予熱部伝熱管(49a) の内部には、実施形態
１の熱交換器(50)と同様に、水の流れを伝熱管(49a) 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(6
1)が挿入されている。一方、過冷却部伝熱管(49b) の内
部にも、同様に樹脂棒(62)が挿入されている。予熱部伝
熱管(49a) 内の樹脂棒(61)表面の螺旋突条の幅、高さお
よびピッチは、実施形態１の熱交換器(50)同様に、水の
流れが乱流状態になるように設定されている。また、過
冷却部伝熱管(49b) 内の樹脂棒(62)表面の螺旋突条の
幅、高さおよびピッチは、水の流れが層流状態になるよ
うに設定されている。

【００８４】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。

【００８５】次に、本熱交換器(50)の動作を説明する。

【００８６】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(49a) 内に流入し、予熱
部(53)を流れる高温の冷媒によって加熱され、熱交換器
(50)に混入した氷核は融解される。その後、各伝熱管(4
9a) 内で加熱された水は、整流空間(70)で合流する。

【００８７】この際、予熱部伝熱管(49a) 内の狭い流路
を流れてきた流速の早い水は、整流空間(70)で減速し、
流れが緩和される。さらに、この水は整流手段(71)とし
てのメッシュを通過する際に、流れの乱れが取り除か
れ、乱れの少ない流れとなる。つまり、予熱部伝熱管(4
9a) を流れた乱流状態の水は整流空間(70)内で整流さ
れ、層流状態になる。

【００８８】そして、層流状態となった水は、過冷却部
伝熱管(49b) に流入して、過冷却部伝熱管(49b) の外部
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
で冷却される。その後、過冷却部伝熱管(49b) から流出
して、水出口部(52)で合流した後、水出口管(45)から熱
交換器(50)の外部に流出する。

【００８９】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)との間に整流空間(70)を設け
たことにより、予熱部(53)を流れた乱流状態の水は整流
される。そのため、過冷却生成部(54)には層流状態の水
が流れるので、安定した過冷却状態を保ったまま水を過
冷却することができる。その結果、過冷却状態の解消に
よる流路の閉塞は起こりにくい等、実施形態１で述べた
効果と同様の効果が得られる。

【００９０】なお、整流手段(71)はメッシュに限られ
ず、実施形態１で説明した多数の貫通孔を有する他の抵
抗体や多孔質体であってもよく、多数のらせん溝(61)を
有する抵抗体(65)であってもよい。また、それらを組み
合わせたものでもよい。

【００９１】メッシュや多孔質体の材料は、実施形態１
と同様に、金属でもよいし、樹脂材料でもよい。

【００９２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、予熱空
間と冷却空間とを一体的に形成しているので、予熱器を
別途設ける必要がなく、蓄熱式空気調和装置等の設置ス
ペースを小さくすることが可能となる。また、コストが
低減する。

【００９３】さらに、本発明によれば、予熱空間と冷却
空間との間において蓄熱媒体を整流するので、冷却空間
を流れる蓄熱媒体の流れを乱れの少ない状態にすること
ができ、流れの乱れに起因する過冷却の解消による流路
の閉塞を防止することができる。

【００９４】また、逆に、冷却空間を流れる蓄熱媒体の
流れは乱れの少ない流れになるので、予熱空間において
流れの乱れを大きくすることが可能となる。従って、予
熱空間で伝熱を促進することができ、熱交換器に混入し
た氷核を予熱空間で確実に融解することができる。その
結果、氷核が冷却空間に混入することはなく、氷核が原
因となる過冷却の解消による流路の閉塞を防止すること
ができる。

【００９５】そして、本発明によれば、過冷却状態の安
定性が向上するので、従来よりも過冷却度を高めること
が可能になり、蓄熱式空気調和装置等における製氷能力
を向上させることができる。

【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の熱交換器の断面図である。

【図４】樹脂棒の斜視図である。

【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】実施形態１の熱交換器の断面図である。

【図８】実施形態１の熱交換器の変形例の断面図であ
る。

【図９】メッシュの正面図である。

【図１０】貫通孔を有する抵抗体の斜視図である。

【図１１】多孔質体の正面図である。

【図１２】実施形態２の熱交換器の断面図である。

【図１３】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 60 中央管板 61,62 樹脂棒 70 整流空間 71 整流手段 72 メッシュ 73 多孔質体 74 抵抗体 84 攪拌部

Claims (7)

【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(42,43,60,63,64)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(42,43,6
   0,63,64)の間に亘る複数の伝熱管(49,49a,49b)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
   (49,49a)内から冷却空間(54)の伝熱管(49,49b)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)の蓄熱媒体より高温
   の冷媒が予熱空間(53)の伝熱管(49,49a)外を流れて該蓄
   熱媒体を所定温度に加熱するように冷媒循環回路(20)が
   接続されると共に、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 、49b) 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、 上記予熱空間(53)と冷却空間(54)との間には、蓄熱媒体
   の流れを整流する整流空間(70)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。
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、 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(60)とによっ
   て区画形成され、 予熱空間の伝熱管(49)と冷却空間の伝熱管(49)とは、連
   続する一体物で形成される一方、 整流空間(70)は、予熱空間(53)と冷却空間(54)との間に
   位置して伝熱管(49)内に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。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のシェルアンドチ
   ューブ型熱交換器において、 整流空間(70)には、蓄熱媒体の流れを整流する整流手段
   (71)が設けられた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３に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 整流手段(71)は、多数の貫通孔を有する抵抗体(74)から
   な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３に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 整流手段(71)は網構造(72)を有す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３に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 整流手段(71)は多孔質体(73)からな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３に記載のシェルアンドチューブ
   型熱交換器において、 整流手段(71)は、多数のらせん溝(61)を有する抵抗体(6
   5)からなることを特徴とするシェルアンドチューブ型熱
   交換器。