JPS636370A

JPS636370A - 間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置

Info

Publication number: JPS636370A
Application number: JP14818286A
Authority: JP
Inventors: 俊之日野
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 1986-06-26
Filing date: 1986-06-26
Publication date: 1988-01-12
Also published as: JPH0461267B2

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、建物の冷房、産業用冷却などに利用される間
接冷却型直接接触式氷蓄熱装置に関する。

従来の技術蓄熟冷房等に用いる氷蓄熱装置の一つとして、冷媒か水
中で直接的に蒸発することによってシャーベット状の氷
を作る、所謂、直接接触方式がある。

この方式では、密閉した水タンク中に、水に実質的に不
溶性で、タラスレートを作らない冷媒（Ｒ１１４やペン
タンなど）の液を放出し、氷を冷却および凍結すること
によって気化した冷媒ガスはオイルフリー圧縮機で圧力
と温度が上がった後に凝縮器により液化し、膨張装置（
ガストラップ等）で減圧して、再び水中に放出される。

生成した氷スラリーは水面に溜まり、それに続く氷の生
成に支障をきたす。そこで、タンク底部と水面近くを結
ぶ立てパイプを設け、このパイプ中に冷媒（減圧のため
一部、約２０重量パーセント、がフラッシュし、気液混
合になっている）を吹き込み、気泡ポンプ的な作用でタ
ンク底部の氷を汲み上げることにより、連続的な製氷を
可能にしたものが提案されている。

オイルフリー圧縮機は一般に高価であり、性能的にも発
達途上にある。

そこで、Ｒ２２などを用いる通常のフロン冷凍機（また
はヒートポンプ）を使用する方式も考えられる。この冷
凍機はフロンに限定されず、たとえばアンモニアでも良
いわけであるが、市販の大部分の製品はフロンなので、
ここでは分かり易く、この名称を用いる。

この方式では、タンク内封入冷媒ガス中にフロン冷凍機
の蒸発器を設け、フロン冷凍機を働かせることによって
、フロン蒸発管の外表面で、タンク内封入冷媒を凝縮さ
せ、これを水中に戻すものである。

オイルフリー圧縮機を使用する方式と比較して、熱交換
過程が入るものの、この熱交換プロセスはフロン冷媒の
蒸発、タンク内冷媒の凝縮という、内外面共に相変化を
伴う熱伝達のために、熱貫流抵抗が小さく、高性能、小
型化が可能である。

又、製氷プロセスは、タンク内冷媒と水の直接接触熱交
換なので、熱伝達が良く、製氷コイルは不要などの利点
は保たれている。さらに、（ｉ）　　フロン冷凍機やヒ
ートポンプは量産されているので、安価で信頼性も高い
。

（１１）オイルフリー圧縮機は一般にシャフトでシール
をしており、この軸シールからの空気の漏れ込み（冷媒
圧力が大気圧以下）また、冷媒の漏出（大気圧以上の場
合）があるが、フロン冷凍機を使う方式では、フロン配
管の貫通なので、完全に気密化できる。

（ｉｉｉ）　　フロン蒸発器／タンク内冷媒凝縮器を製
氷タンク上部の気相中に設置すれば、このための容器（
凝縮器）や配管がなくなるため、コストダウンでき、封
入冷媒量ら少なくできる。

上記（ｉｉｉ）の構造では、タンク内封入冷媒ガスがフ
ロン蒸発管の外表面で凝縮し、そのまま水面上で滴化す
るか、ドレンパン等で受けてから水中に流下することに
なる。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、この機構の問題点として、（イ）凝縮液
が滴下する構造では、水面近くの水が凍結すると、その
下の氷を凍らせることができない。

（ロ）前述の気泡ポンプ的な機構を使おうとしても、冷
媒液がノズルから吹き出すための十分な静圧ヘッドが取
りにくい（凝縮器が同一タンク内にあるため）。特に、
水よりも比重量の小さな炭化水素冷媒では水中に送り込
むことが難しくなる。

（ハ）水と冷媒の良好な熱交換゛のためには、冷媒液滴
を微細化する必要がある。圧縮機を使う方式では、凝縮
液が圧力を持っているのでノズル等から吹き出させるこ
とにこれが可能であるが、冷凍機で凝縮させる方式では
困難である。

水面下で冷媒を蒸発させる方式で避けられない静圧損失
は、特に低圧（沸点が高い）冷媒では大きな問題となる
。

例えばｎペンタンの場合、０℃における飽和（蒸発）圧
力は１８８　Ｔｏｒｒ（２５ｋＰａ）である。これを水
深１肩の所で沸騰させるには、水の静圧（ｌｖで約１０
ｋＰａ）に相当する分だけ圧力を下げなければならない
から水面上の冷媒ガス圧力は２５−１０＝　１５（単位
はｋＰａ）に下げなければならない。この圧力における
ｎペンタンの飽和温度（沸点）は約−１０°Ｃである。

このように、水の深い所で冷媒を沸騰させる機構では、
圧縮機方式では吸入圧力が下がり、冷凍機方式では蒸発
温度が下がるので、いずれも同様に成績係数が低下する
。これに対して、水面での蒸発ではこの静圧損失がない
ので、運転性能の低下がない。なお、以上の議論では、
簡単化のため、過冷却現象や水蒸気の分圧（０°Ｃで０
．７ｋＰａ程度）を無視した。

問題点を解決するための手段本発明は、以上の問題を同時に解決し、更に、冷媒の静
圧損失の面では最も理想的な水面での冷媒蒸発を可能に
することを目的とする。

すなわち本発明は、内部に水と水に実質的に不溶性の冷
媒とを封入した気密の水タンクと、外部の冷凍機により
冷却される前記冷媒用の凝縮器を前記水タンクの上部空
間に配設し、さらに前記上部空間に萌記水タンクの底部
から汲み上げた氷を散布する散水器を配設して、前記凝
縮器から滴下する冷媒液と前記水タンク底部から汲み上
げた水、とを前記水タンク水面で混合し粒子状の氷を形
成せしめるようにした間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置
にある。

実施例第１図に示す第１の実施例においては、気密で断熱を施
した水タンクｌ内には、水とこの水に対し実質的に不溶
であるタンク封入冷媒とを封入しである。この水の水面
を符号１２で示しである。この水面１２の上方が封入冷
媒ガスと水蒸気とが充満する上部空間７である。この上
部空間７にはタンク封入冷媒を凝縮する凝縮器２が配設
しである。

この凝縮器２の配管は水タンク１の外部に密封的に突き
抜け、フロン管路６となりフロン圧縮機（またはヒート
ポンプ）４を介しフロン凝縮器３がら膨張弁５を通りタ
ンク封入冷媒凝縮器２に戻っている。このタンク封入冷
媒凝縮器２はフロン蒸発器でもある。

他方、水タンク１の底部からは水配管９が引き出され、
水循環ポンプ１１を経て、冷熱取出し用の熱交換器１０
を介し、水タンク１の上部空間において水面１２上に延
在する散水器８に連通せしめである。

第２図に示した第２の実施例においても、第１の実施例
と共通するところは同一の符号で示したので、その詳細
説明は省略する。さて、この第２の実施例で第１の実施
例と異なることは、まず散水器８を水面１２下に配置し
、水面１２とタンク封入冷媒凝縮器２との間に孔あきバ
ッフル１７を配設したこと、および水配管９に冷熱取出
用の熱交換器を設けず冷水熱交換器１３を別途に水タン
クｌ内に配設し、これを水タンク１外の冷水管路１４、
空気冷却器１５、冷水ポンプ１６よりなる冷熱取出し系
統に接続しであることである。

これら第１および第２の実施例の作動は次のようである
。

本発明装置は、第１図に示すごとく、気密の水タンクＩ
内の上部空間７に、外部の冷凍機（３，４゜５．６）に
より冷却されるタンク内封入冷媒の凝縮器（２）を設け
、ここから滴下する冷媒液と、水タンク１底部から汲み
上げた氷を水面１２上で混合し、粒子（シャーベット）
状の氷を作る機構を基本とする。

例えば、凝縮器２を一３℃で冷却すれば、凝縮器２の熱
抵抗を考慮しても水面上の冷媒ガス圧力は飽和温度で一
ピＣ位にできる。そして、冷媒液は水から熱を奪うこと
によって盛んに蒸発しく０℃）、氷を作る。

このようにして出来たシャーベット状の水は水よりも軽
いため、水面１２下に層を成すが、製氷運転を継続する
ことによって、新たにできた氷によって上から押し下げ
られる。凍結しなかった水は水位の間を浸透して流下し
再びタンク底部から汲み上げられるのである。

上述の作用は第２図に示す第２の実施例でも実質的に変
えるものではないが、第２の実施例ではタンク封入冷媒
凝縮器２から滴下するタンク封入冷媒液は孔あきバッフ
ル１７で一旦受は止められ、次いでこの孔あきバッフル
１７の孔から再び下方へと滴下する。−方、散水器８は
水面１２下に配設されており、上方に氷を吹き出し水面
を乱しタンク封入冷媒液との熱交換の機会を高めるよう
にしである。

以下、技術上の要点を箇条書にて説明する。

（ａ）外部冷凍機はフロン冷媒に限定しない。例えば、
アンモニアを冷媒とする電動冷凍機や吸収冷凍機などで
も良い。

（ｂ）従って、タンク内封入冷媒凝縮器の冷却流体はフ
ロンに限定されない。例えば、ブライン（エチレングリ
コール水溶液等）でも良い。

（ｃ）タンク封入冷媒凝縮器の構造は種々あり得る。

例えば、裸管、フィン付管、クロスフィンチューブ熱交
換器、特殊な表面突起を持つ高性能伝熱管、プレート式
など。

（ｄ）タンク底部からの水の汲み上げ、および加圧用の
ポンプには、軸シールを持つものの他、密閉型のキャン
ドポンプ、マグネット駆動ポンプなどが使える。

（ｅ）散水器は、氷を細かな粒子とし、冷媒液との混合
を良くするの１・（目的である。ノズル等をつけても良
い。

（ｆ）散水器の位置は、凝縮器の下で、かつ水面上を基
本とする（第１図）が、水面下にあっても（第２図）効
果はある。

（ｇ）凝縮器の下には、冷媒の沸騰や、散水による飛沫
を押さえるためにバッフル（有孔板など）を設ける場合
がある（第２図）。

（ｈ）このバッフルはトレイ（受は皿）として、散水器
の上部に設置して、冷媒液を水面上に均一散布したり（
第２図）、散水器の下部に設置して、水と冷媒の接触時
間を長くするために用いることができる。

（ｉ）タンクからの冷熱の取り出しは、外付熱交換器へ
、タンク内の冷水又は氷スラリーを循環させることによ
って行える。第１図では、これを散水ポンプと共用した
例を示した。

また、第２図のように、タンク内部に熱交換器を設けて
もよい。

（０本装置の制御（冷凍機の発停など）は、水位の検知
（氷が増えれば、水位が上昇する）などで行うことがで
きる。

なお以上の説明は、製氷に限定し、クラスレート（水の
包接化合物）は除外して来た。

しかしながら本発明は、そのまま、クラスレート蓄熱に
も転用できるものである。例えば、封入冷媒をＲ１１と
し、封入量も全水量の約３０重量パーセントとする。Ｒ
１１液は水よりも比重量が大きい（０°Ｃで１．５に９
／Ｉ２）のでタンク底部に溜まる。そのため、循環ポン
プは水ではなしに液体フロンを汲み上げ、散布すること
になる。

原理的には、Ｒ１１凝縮器を８．３℃以下に冷却すれば
、タラスレートが生成するはずである。

できたクラスレートは、比重量が約１．１５Ｋｆ＋／！
２と水よりも重く、Ｒ１１液よりも軽いため、水とＲ１
１液の境界面上に沈殿することになる。

発明の効果本発明の効果をまとめて述べると次のようである。

（１）冷媒の蒸発が常に水面上で行なわれるために、水
深の大きいタンクでも性能の低下（静圧損失）がない。

すなわちタンクを大型化することが可能になった。また
、設置面積を小さくするために、タンクを竪（縦）長に
することら可能になった。

（２）タンク底部より取水することにより、タンクの底
部まで水スラリーを充填できるようになった。すなわち
、タンク容積の有効利用率が向上した。

（３）散水器の使用により水と冷媒液の接触、すなわち
熱伝達を極めて良好にできる。

（４）水より密度（比重）の大きい冷媒（Ｒ１１４など
）の液は、気化できなかった場合、水底に沈殿して循環
利用できなくなる場合があるが、本発明ではこれを容易
に汲み上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の第１の実施例の系統図、第２図は
第２の実施例の系統図である。ｌ・・水タンク、２・・タンク封入冷媒凝縮器、３・・
フロン凝縮器、４・・フロン圧縮機、５・・膨張弁、６
・・フロン管路、７・・上部空間、８・・散水器、９・
・水配管、１０・・熱交換器、１１・・水循環ポンプ、
１２・・水面、１３・・冷水熱交換器、１４・・冷水管
路、１５・・空気冷却器、１６（ほか１名）第１図フ０ンムＪ信槍

Claims

【特許請求の範囲】１　内部に水と水に実質的に不溶性の冷媒とを封入した
気密の水タンクと、外部の冷凍機により冷却される前記
冷媒用の凝縮器を前記水タンクの上部空間に配設し、さ
らに前記上部空間に前記水タンクの底部から汲み上げた
液体を散布する散水器を配設して、前記凝縮器から滴下
する冷媒液と前記水タンク底部から汲み上げた液体とを
前記水タンク水面で混合し粒子状の氷を形成せしめるよ
うにした間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置。２　特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記水
タンクの底部より同水タンクの前記上部空間に液体を汲
み上げる配管の途中に、冷熱を取り出す熱交換器を配設
したことを特徴とする間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置
。３　特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記散
水器を前記凝縮器の下で、かつ水面上に配設したことを
特徴とする間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置。４　特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記散
水器を水面下に配設したことを特徴とする間接冷却型直
接接触式氷蓄熱装置。５　特許請求の範囲第４項記載の装置において、前記凝
縮器と水面との間にバッフルを配設したことを特徴とす
る間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置。６　特許請求の範囲第５項記載の装置において、冷熱取
出し用の冷水熱交換器を別途に前記水タンク内に配設し
たことを特徴とする間接冷却型直接接触式氷蓄熱装置。