JPS63271074A - 蓄熱用製氷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、空調用氷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１
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、被冷却液が水の場合、生成
した氷は管壁に着氷して生長する。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生長速度が遅
くなるという欠点がある。

氷の生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り５このために冷凍機の成績係数
（ＣＯＰ）が下がる欠点をもつ。また５水槽内での氷の
充填率（ＩＰＦ）を太き（するには伝熱管のピンチを細
かくすることが必要となり、ひいては水中に浸漬する伝
熱管の相対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。

このため、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ヘット状の氷が被冷却液の
液中に生成する。このため、氷の充填率（ＩＰＦ）を３
０〜６０％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。さら
に、伝熱管表面は例えば鏡面仕上げを施したような滑ら
かなものを使用しなければ管壁に着氷するので、熱交換
器は自ずと高価なものになる。

一方、直接熱交換方式では、冷媒温度はＯ′Ｃ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、従って水充填率は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を槽外に設置した冷却管内に連
続的に通液することにより零度℃より低い温度の過冷却
水にして該冷却管から流出させ、冷却管から流出したあ
と蓄熱水槽に戻す過程または蓄熱水槽に戻し５たのちに
この過冷却水から氷を析出させることからなる蓄熱用製
氷法である。そして、この方法を実施する装置として、
蓄熱水槽と、この蓄熱水槽の水層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、該冷却器を出た水を該蓄熱水槽に流出させる経路
と、からなる蓄熱用製氷装置であって、該冷却器が、冷
媒がその中を通過する容器と、この容器内を上下、方向
に貫通するように配置された冷却管とからなり、この冷
却管の上方の端部を水容器内に開口すると共にこの水容
器に前記の給水管路を接続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
した冷却器で０℃以下にまで強制冷却するものであるが
、この冷却器では氷が実質的に生成しない状態の過冷却
水を作り、冷却器を出てから氷を析出させることに特徴
がある。このために冷却器の冷却管内を定常状態の連続
流れが形成されるように水を流し、冷却器を出たあとは
過冷却水から氷が析出できる状態変化を起こさせるもの
である。

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がら冷却器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
の例では冷凍サイクルにおける蒸発器を使用しており、
このために。

圧縮機６．凝縮器７．膨張弁８およびこの冷却器３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を半身切り欠きの拡大図で
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５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は軸を垂直にした円
筒シェルがらなり、この円筒シェルの上板１２と下板１
３を、垂直方向の冷却管１１が気密に貫通している。容
器１ｏは冷媒導入口１４と冷媒出口１５を有した密閉容
器である。各冷却管１１の上端と下端はいずれも開口し
ており、上端開口が冷却管１１への水取入れロ１６．下
端開口が冷却管１１からの過冷却水出口１７となってい
る。

冷媒容器１０の上板１２の上方には、水容器１８が接続
されている。図示の例ではこの水容器１８は冷媒容器１
０と同じ径の円筒容器であり、この水容器１８の中に冷
却管１１が実質的な長さをもって延び出している。冷却
管１１が水容器１８内に延び出した部分は本発明におい
て水の流れを定常化するための助走路として機能する。

水容器１Ｂには水導入口１９が比較的下方に、そしてオ
ーバーフロ一孔２０が上部に設けられている。冷却管１
１の上端の水取入れ口１６が、水容器１８の水導入口１
９よりも上方で且つオーバーフロ一孔２０よりも下方の
位置となる関係をもってこれらが設置される。

このように構成した冷却器３を１第１回のように蓄熱水
槽１の水面より上方の位置にセットし。

給水管路４を水容器１８の水導入口１９に接続したうえ
オーバーフロ一孔２０からのオーバーフロー水を再び蓄
熱水槽１に戻すようにオーバーフロー管２１を取付ける
。これによってポンプ５を稼働して蓄熱水槽１内の水を
水容器１８に給水すると、水容器１８内では一定の液面
を保ちつつ冷却管１１内を水が流下し、蓄熱水槽１に流
出落下する。一方、冷媒容器１０の冷媒出口１５は圧縮
［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１４
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１
０内に吐出気化させることよって冷却・管１１を冷却す
る。ここでの冷却温度を適正にＳＩＲ節することによっ
て、冷却管１１内を落下する水を零度℃以下の温度に冷
却する。

本発明においては、この冷却管１１内を流れ落ちる水流
を連続した定常流とすることによって、零度℃以下では
あるが、氷への相変化を起こさせずに冷却管１１の外に
流出させる。すなわち、冷却管１１では過冷却水を作る
のであり、管壁に着氷させないようにして冷却管１１か
ら流出させる。このためには、管内を流れる水が脈動し
たり部分的に温度差が生じたりすることを出来るだけ避
けることが必要である。したがって、冷却管１１内を流
れ落ちる水の流れを定常的にすると共に冷媒温度を適正
に制御することが肝要である。前者の定常流を得るには
、各冷却管１１の水導入口１９を、液面が常時一定に維
持される水容器１８内の液面下に開口させ、その開口の
状態を適正にすることによって達成できる。このために
は、各冷却管１１の上端開口部にオリフィスを取付ける
のも有益である。後者の温度制御に関しては、これをよ
り正確に行うには、冷却管Ｉｌ内を流れ落ちる流量は定
まる　（装置条件例えば冷却管１１の開口の大きさ、そ
の開口の水面からの距離、管壁の表面状態等によって一
定値に定まる）から、冷却管１１に導入される前の水温
を検出し、この検出水温に応じて圧縮機６の回転数制御
を行うようにするのが実際上は便宜である。このような
制御は、装置を構成してからその運転状態を観察しなが
ら適正に調整すればよく。

このようなことは当業者ならば正確に行い得る。

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。

このようにして、冷却管１１からはＯ′Ｃ以下の過冷却
水が流出することになるが１本発明においては、この過
冷却水を蓄熱水槽１に流出させるさいに、または蓄熱水
槽１に戻した後で、この過冷却水から氷を析出させる相
変化を起こさせる。この相変化は過冷却状態にある水に
物理的な変化を与えるのが好ましい。この物理的変化と
しては、各冷却管１１から蓄熱水槽１の液面に過冷却水
を落下させるさいに生じる衝撃エネルギーを利用するの
が最も簡単であるが、これだけでは不十分である場合に
は、第１図に示したように、蓄熱水槽１の水層２内に冷
却器２３を挿入しておき、この冷却器２３によって蓄熱
水槽１内に落下した過冷却水をさらに冷却するようにす
ればよい。すなわち、冷却器２３の管壁に予め間接方式
により氷を生成させておき、その氷に過冷却水を当てる
ことによって過冷却水を相変化させて氷を生成させる。

槽内の冷却器２３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２
４から分岐管２５を採り５膨張弁２６をこの分岐管２５
に介装したうえ冷却器２３に接続し、冷却器２３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２
４と分岐管２５には開閉弁２７と２８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。

また、過冷却水から氷の核を発生させるために超音波を
利用することもできる。第３図はその具体例を示したも
のである。すなわち、超音波振動素子３０を水層２の液
面近くに浸漬し、過冷却水が流下してくる方向に超音波
を発振させるようにしたものである。３１は発振器を示
す。これによって各冷却管１１から水層２に落下する過
程の過冷却水および水Ｎ２に落下した過冷却水に氷の核
が無数発生し、この無数の核を起点として過冷却水が相
変化して氷が析出し、全体としては微細な氷の集合とな
る。なお、第３図において第１図と同し符号を付した要
素は第１図で説明したものと同じものである。

以上のようにして１本発明によると、伝熱管を利用した
製氷でありながら伝熱管に着氷を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ド状となる。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
を作るのにも小型の冷却器でよく、且つその冷却温度は
一５℃付近でよいから冷凍機の成績係数が高くなり冷凍
機動力も少なくてすむ。したがって、非常に小型の装置
構成のもとて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図は本発明の製氷蓄熱を行う装置の他の例を示
す機器配置系統図である。 ｌ・・蓄熱水槽、　　２・・水層、　　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、１６・・冷却管へ
の水導入口、１７・・冷却管からの水出口。 １８・・水容器、２０・・オーバーフロ一孔。 ２３・・槽内の冷却器、３０・・超音波振動素子。 第２図 蓄熱水槽へ 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）蓄熱水槽の水の一部を槽外に設置した冷却管内に
   連続的に通液することにより零度℃より低い温度の過冷
   却水にして該冷却管から流出させ、冷却管から流出した
   あと蓄熱水槽に戻す過程または蓄熱水槽に戻したのちに
   この過冷却水から氷を析出させることからなる蓄熱用製
   氷法。
2. （２）蓄熱水槽と、この蓄熱水槽の水層の外に設置した
   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、該冷却器を出た水を該蓄熱水槽に流出させ
   る経路と、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、該容器内を上
   下方向に貫通するように配置された冷却管とからなり、
   この冷却管の上方の端部を水容器内に開口すると共にこ
   の水容器に前記の給水管路を接続したことを特徴とする
   蓄熱用製氷装置。