JP2514583B2 - 連続製氷式蓄熱装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、氷蓄熱システムに関す
るものであり、より具体的には夜間電力を利用して冷凍
機と氷蓄熱槽との間にガス冷媒を循環させ、氷蓄熱槽内
の液体を一部氷結させて冷熱を蓄熱する氷蓄熱システム
に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、住宅やビルなどの冷房・給冷水利用
について、省エネルギー、経済性の面から、夜間電力を
利用して蓄熱槽に冷水や氷の形態で寒冷エネルギーを貯
溜し、昼間この冷熱を冷房等に利用することが行われて
いる。この場合、水蓄熱方式と氷蓄熱方式では、氷蓄熱
方式の方が水蓄熱方式よりも冷蓄熱容積を大幅に縮小で
きるといった利点を有し、この氷蓄熱方式が広く採用さ
れている。

【０００３】従来、氷蓄熱方式をとる蓄熱システムとし
て、例えば特開昭５１−７７４６号公報や特公平４−２
８７１号公報に開示されたものがある。特開昭５１−７
７４６号公報に開示された蓄熱システムは、水槽内に複
数経路の製氷管を沈設し、ガス冷凍機から製氷管へのガ
ス液化冷媒の供給を一定時間ごとに切り換えることによ
り、同一の製氷管で製氷工程と脱氷工程とを交互に繰り
返すようにして断続的に製氷し、水槽内の貯溜水を冷水
と氷の混合液にして冷熱エネルギーを貯蔵するようにし
たものである。

【０００４】一方、特公平４−２８７１号公報に開示さ
れた蓄熱システムは、水槽内の下部に凹凸部が交互に連
続して形成される上下方向に変形可能な伝熱プレートを
配置し、この伝熱プレートの下部にブラインを流通させ
ることにより、伝熱プレートの凹部で水を氷結させ、伝
熱プレート下方に供給するブラインの圧力を変化させる
ことにより伝熱プレートを湾曲変形させて伝熱プレート
の凹部で氷結した氷を伝熱プレートから離脱させ、水槽
内の貯溜水を冷水と氷の混合液にするようにしたもので
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記特開昭
５１−７７４６号公報に開示された蓄熱システムでは、
氷を効率よく生成するためには水槽の中に複数系統の製
氷管を配置しなければならず、蓄熱装置全体が大型化す
るという問題がある。そのうえ、脱氷工程時にはガス液
化冷媒の供給を停止するだけであるから、氷結した氷が
製氷管から離脱するまでに時間がかかるという問題があ
る。

【０００６】一方、特公平４−２８７１号公報に開示さ
れた蓄熱システムでは、水槽内底部にブライン循環室を
区画形成し、このブライン循環室と冷却水貯溜室との区
画壁を上下方向に湾曲変形可能な伝熱プレートで構成し
ていることから、製氷部が水槽底面の二次元的平面とな
り、大量の氷を生成するためには広い水槽設置面積を必
要とし、装置全体が大型化するという問題がある。

【０００７】本発明はこのような点に着目してなされた
もので、小型でありながら氷の離脱を効率よく行って氷
を連続的に製造することができる蓄熱装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明は、蓄熱槽内に配置したヒートポンプの熱
交換器に蓄熱槽内のチラー溶液を作用させることによ
り、蓄熱槽内に氷と低温液体の混合液を貯蔵するように
した連続製氷式蓄熱装置において、蓄熱槽の内部に製氷
部と貯氷部とを上下に連続して形成し、この製氷部に配
置した熱交換器をプレートフィンアンドチューブ式のも
ので構成し、この熱交換器の各プレート間で上下に位置
する各チューブの外面に接触する熱伝達板で一連に被覆
することにより、プレート間に断面角形の空間を形成
し、熱交換器の上側に散液管を配置するとともに、貯氷
部から導出したチラー溶液通路を送液ポンプを介して散
液管に接続することにより蓄冷用チラー溶液循環路を形
成し、熱交換器のプレート間での上端部に散液管から供
給されたチラー溶液をプレート表面側に案内する分流ガ
イド板を配置し、ヒートポンプの圧縮機の高圧口を四方
弁、凝縮器、２つの膨張弁ユニットを介して熱交換器の
下側ポートに接続し、圧縮機の低圧口を前記四方弁と三
方弁を介して熱交換器の上側ポートに接続し、前記各膨
張弁ユニットを逆止弁と膨張弁とを並列に配置して構成
し、三方弁の共通ポートを四方弁に接続するとともに、
三方弁の一方の選択ポートを熱交換器に、他方の選択ポ
ートをヘッダーにそれぞれ接続し、このヘッダーから電
磁弁を介して熱交換器のチューブの折り返し部分に熱伝
達媒体供給管を配管し、四方弁と三方弁及び電磁弁を連
動切換可能に構成し、圧縮機の高圧口が熱交換器の下側
ポートに連通する状態では熱交換器にコールドガスを供
給し、圧縮機の低圧口が熱交換器の下側ポートに連通す
る状態では熱交換器にホットガスを供給するように構成
したことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明では、ヒートポンプを使用した連続製氷
式の氷蓄熱装置において、製氷部に配置した熱交換器を
プレートフィンアンドチューブ式のもので構成し、この
熱交換器の各プレート間で上下に位置する各チューブの
外面に接触する熱伝達板で一連に被覆することによりプ
レート間に断面角形の空間を形成していることから、プ
レート間に形成される断面角形の空間は熱交換板で囲わ
れた状態になるうえ、熱交換器の上側に散液管を配置
し、熱交換器のプレート間での上端部に散液管から供給
されたチラー溶液をプレート表面側に案内する分流ガイ
ド板を配置してあるので、貯氷部から循環されて散液管
から供給されたチラー溶液は、角形空間内でプレートと
チューブを覆っている熱伝達板に沿って流下する状態と
なり、チラー溶液と熱伝達板との接触効率が向上する。

【００１０】また、ヒートポンプの熱伝達媒体循環路で
の熱交換器の上側ポートと四方弁との間に四方弁と連動
作動する三方弁を配置し、この三方弁の切り換えで熱交
換器の上側ポートが四方弁を介して圧縮機の低圧口に接
続する熱交換器へのコールドガス供給状態と、圧縮機の
高圧口が四方弁を介してヘッダーから熱交換器のチュー
ブ折り返し部分に接続する熱交換器へのホットガス供給
状態とになるから、ホットガス供給状態では、熱交換器
のプレートに氷結している氷を解氷してプレート間に形
成されている柱状の氷を迅速に落下させることができ
る。

【００１１】

【実施例】図面は本発明の一実施例を示し、図１は全体
の系統図、図２は熱交換器の縦断斜視図、図３は熱交換
器の縦断側面図、図４は熱交換器の縦断正面図である。
図中符号(１)は蓄熱槽で、この蓄熱槽(１)の内部に製氷
部(２)と貯氷部(３)を連続する状態で上下に配置してあ
る。製氷部(２)には冷凍システムの蒸発器となる熱交換
器(４)が配置してあり、この熱交換器(４)の上方に２系
統の散液管(５)(６)が配設してある。そして、一方の散
液管(５)に貯氷部(３)の底部から導出したチラー溶液通
路が送液ポンプ(７)を介して接続することにより蓄冷用
チラー溶液循環路(８)を形成してある。

【００１２】また、貯氷部(３)の底壁から導出したチラ
ー溶液通路を第２送液ポンプ(９)及び冷房負荷(10)を介
して他の散液管(６)に接続して冷熱取出用循環路(11)を
形成している。そして、この冷熱取出用循環路(11)の冷
房負荷(10)への送給路に混合弁(12)を介装し、この混合
弁(12)の混合流体ポートに冷房負荷(10)からの戻り路(1
3)から分岐導出したバイパス路(14)を接続して、冷房負
荷(10)に送り込むチラー溶液の温度を調整するように構
成してある。

【００１３】製氷部(２)に配置した熱交換器(４)は、図
２〜図４に示すように、上下多段に折り曲げ形成した複
数のチューブ(15)がフィンプレート(16)を貫通するプレ
ートフィンアンドチューブ式の熱交換器で形成してあ
り、各プレート(16)間で上下に位置する各チューブ(15)
をその外面に接触する熱伝達板(17)で一連に被覆して、
各プレート間に断面角形の空間(18)を形成している。ま
た、各フィンプレート(15)間の上部に山形の分流ガイド
板(19)を配置して、散液管(６)から供給されたチラー溶
液をフィンプレート(15)の表面に案内するようにしてあ
る。そして、熱交換器(４)の上側集合管(20)及び下側集
合管(21)とをヒートポートの圧縮機(22)に接続して閉サ
イクルのヒートポンプ回路(23)を形成している。

【００１４】このヒートポンプ回路(23)は熱交換器(４)
の下側集合管(21)に接続する低温ガス通路(24)と、熱交
換器(４)の上側集合管(20)に接続する高温ガス通路(25)
とで構成してあり、低温ガス通路(24)に凝縮器(26)と２
つの膨張弁ユニット(27)とが直列に配置してある。この
膨張弁ユニット(27)はそれぞれ膨張弁(28)と逆止弁(29)
とを並列に配置して構成してある。また、高温ガス通路
(25)に三方弁(30)が配置してある。そして、圧縮機(22)
の高圧口(31)は四方弁(32)を介して低温ガス通路(24)と
高温ガス通路(25)とに選択的に連通するように構成して
あり、四方弁(32)の残りのポートは圧縮機(22)の低圧口
(33)に接続してある。

【００１５】一方、高温ガス通路(25)に配置した三方弁
(30)は共通ポートが四方弁(32)に接続しており、一方の
選択ポートを熱交換器(４)の上側集合管(20)に、他方の
選択ポートをヘッダー(34)にそれぞれ接続してある。こ
のヘッダー(34)から電磁開閉弁(35)を介して分流管(36)
が導出してあり、各分流管(36)は熱交換器(４)のチュー
ブ(15)の各折曲がり部分での各段に連通接続してある。
なお、この分流管(36)は熱交換器(４)の上下で配設密度
が変化しており、下部から上部に向かうほど配設密度が
粗くなるようにしてある。

【００１６】高温ガス通路(25)と低温ガス通路(24)との
分岐部に配置した四方弁(32)と高温ガス通路(25)に配置
した三方弁(30)及び分流管(36)の導出部に配置した電磁
開閉弁(35)は、制御装置(37)からの信号で連動作動する
ように構成してあり、四方弁(32)が高温ガス通路(25)を
圧縮機(22)の低圧口(33)に接続し、圧縮機(22)の高圧口
(31)を凝縮器(26)に接続する製氷工程では、三方弁(30)
が熱交換器(４)の上側集合管(20)と四方弁(32)を連通さ
せるように切り換わるとともに、電磁開閉弁(35)は閉止
姿勢に切り換えられ、熱交換器(４)に低温ガスを供給す
る。

【００１７】また、四方弁(32)が高温ガス通路(25)を圧
縮機(22)の高圧口(31)に接続し、圧縮機(22)の低圧口(3
3)を凝縮器(26)に接続する解氷工程では、三方弁(30)は
ヘッダー(34)と四方弁(32)とを連通させる状態に切り換
わるとともに、電磁開閉弁(35)は開き姿勢に切り換えら
れて、熱交換器(４)に高温ガスを供給する。このとき、
高温ガスは熱交換器(４)の上下方向の複数個所に供給さ
れるから、プレート(16)に氷が強固に凍りついている熱
交換器下部でも簡単に融解することになる。

【００１８】なお、制御装置(37)には時計機能を有する
タイマーと２つの経過時間測定タイマーとが組み込んで
あり、この２つの時間設定タイマーの内の一方に製氷時
間を設定し、他方のタイマーに解氷時間が設定してあ
る。

【００１９】以上の構成からなる蓄熱装置を利用しての
蓄熱方法を説明する。この蓄熱装置は、夜間電力供給時
間を利用して製氷工程と解氷工程を繰り返して冷熱を蓄
熱し、昼間に蓄熱した冷熱を利用して冷房するようにし
てある。 (ａ) 製氷工程 製氷工程時には、ヒートポンプ回路(23)に配置した四方
弁(32)は、熱交換器(４)の上側集合管(20)に連通してい
る高温ガス通路(25)が圧縮機(22)の低圧口(33)に接続
し、圧縮機(22)の高圧口(31)が凝縮器(26)に接続する状
態になっている。この状態では、圧縮機(22)で圧縮され
た冷媒ガスは、四方弁(32)を介して凝縮器(26)に送り込
まれ、ここで放熱液化し、膨張弁ユニット(27)で膨張減
圧されてコールドガスとして熱交換器(４)に流入する。

【００２０】一方、蓄熱槽(１)の貯氷部(３)に貯蔵され
ているチラー溶液は送液ポンプ(７)で散液管(５)に送り
込まれ、散液管(５)から熱交換器(４)に向けて噴出され
る。この噴出されたチラー溶液は分流ガイド板(19)で熱
交換器(４)のフィンプレート(16)の表面に案内され、こ
のフィンプレート(16)の表面を流下して熱交換器(４)内
を流れるコールドガスと熱交換する。運転開始後しばら
くの間は、チラー溶液は冷却されて液温が低下するだけ
であるが、液温が凝固点温度になると、熱交換器(４)の
プレート表面に氷着を開始する。そして、製氷時間設定
タイマーで設定した時間に達すると、制御装置(37)が作
動して四方弁(32)を切り換える。

【００２１】(ｂ) 解氷工程 解氷工程では、高温ガス通路(25)が圧縮機(22)の高圧口
(31)に接続し、圧縮機(22)の低圧口(33)が凝縮器(26)に
接続する。このとき、高温ガス通路(25)に配置されてい
る三方弁(30)はヘッダー(34)側に切り換えられ、ヘッダ
ー(34)の出口部分に配置した電磁開閉弁(35)は開き姿勢
に切り換えられているから、圧縮機(22)で圧縮されたガ
ス冷媒がホットガスの状態で熱交換器(４)を構成してい
るチューブ(15)の各折曲がり部分から熱交換器(４)内に
流入する。そして、四方弁(32)が切替わることにより制
御装置(37)に配置されている解氷時間設定タイマーが作
動を開始する。この圧縮されたガス冷媒(ホットガス)は
圧縮熱を保有していることから、このホットガスが保有
している熱により熱交換器(４)のプレート表面に付着し
ている部分を融解して脱氷する。脱氷した氷は柱状で貯
氷部(３)に落下するが、生成された氷は過冷却氷になら
ず氷点付近の温度であることから、落下貯氷時に柱状が
崩れやすく貯氷部(３)内ではスラッシュ状になる。解氷
時間設定タイマーが設定時間に達すると四方弁(32)を切
り換えて製氷工程に切り換わる。

【００２２】（Ｃ) 冷房工程 冷房工程では、ヒートポンプ回路(23)に配置した四方弁
(32)を、製氷状態に切り換えて圧縮機(22)を作動させ、
冷熱取出用循環路(11)を作動させて貯氷部(３)に貯蔵さ
れている低温のチラー溶液を冷房負荷(10)に送り込み、
ここで低温のチラー溶液は室内空気と熱交換して温度上
昇し、冷房負荷(10)で冷熱エネルギーを放出したチラー
溶液は返送路(13)により蓄熱槽(１)内の製氷部(２)に配
置した散液管(６)に供給され、熱交換器(４)に向けてチ
ラー溶液が噴出される。この製氷部(２)に向けて噴出し
たチラー溶液は熱交換器(４)を流下する間に熱交換器
(４)内を流れるコールドガスとを熱交換して、冷却され
た状態で貯氷部(３)に戻る。

【００２３】なお、この冷房工程では、チラー溶液の送
給路に配置した混合弁(12)で貯氷部(３)から送り出され
て来た低温のチラー溶液と冷房負荷(10)からの返送され
る冷熱を放出したチラー溶液とを混合して冷房負荷(10)
に流入するチラー溶液の液温を調整するようにしてあ
る。

【００２４】なお、上記実施例では、蓄熱槽(１)内のチ
ラー溶液を冷房負荷(10)に供給して冷房用の冷媒として
使用したが、蓄熱槽(１)内に冷水を貯溜するようにし、
この冷水を直接低温水として使用消費するようにしても
よい。この場合、貯氷部(３)の底壁から導出した冷水取
出路は閉サイクルにならず、製氷部(２)に配置した一方
の散液管(６)に給水管を接続することになる。

【００２５】

【発明の効果】本発明では、ヒートポンプを使用した連
続製氷式の氷蓄熱装置において、製氷部に配置した熱交
換器をプレートフィンアンドチューブ式のもので構成
し、この熱交換器の各プレート間で上下に位置する各チ
ューブの外面に接触する熱伝達板で一連に被覆すること
によりプレート間に断面角形の空間を形成していること
から、プレート間に形成される断面角形の空間は熱交換
板で囲われた状態になるうえ、熱交換器の上側に散液管
を配置し、熱交換器のプレート間での上端部に散液管か
ら供給されたチラー溶液をプレート表面側に案内する分
流ガイド板を配置してあるので、貯氷部から循環されて
散液管から供給されたチラー溶液は、角形空間内でプレ
ートとチューブを覆っている熱伝達板に沿って流下する
状態となり、チラー溶液と熱伝達板との接触効率を向上
させることができ、製氷効率を高めることができる。

【００２６】また、ヒートポンプの熱伝達媒体循環路で
の熱交換器の上側ポートと四方弁との間に四方弁と連動
作動する三方弁を配置し、この三方弁の切り換えで熱交
換器の上側ポートが四方弁を介して圧縮機の低圧口に接
続する熱交換器へのコールドガス供給状態と、圧縮機の
高圧口が四方弁を介してヘッダーから熱交換器のチュー
ブ折り返し部分に接続する熱交換器へのホットガス供給
状態とになるから、ホットガス供給状態では、熱交換器
のプレートに氷結している氷を解氷してプレート間に形
成されている柱状の氷を迅速に落下させることができる
から、短時間に解氷工程を終えることができ、１つのサ
イクルタイムを短時間に設定することができ、一定の夜
間電力時間で大量の冷熱エネルギーを蓄積することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の一実施例を示す系統図である。

【図２】熱交換器の取出縦断斜視図である。

【図３】熱交換器の縦断側面図である。

【図４】熱交換器の縦断正面図である。

【符号の説明】

１…蓄熱槽、２…製氷部、３…貯氷部、４…熱交換器、
５…散液管、７…送液ポンプ、８…蓄冷用チラー溶液循
環路、15…熱交換器のチューブ、16…熱交換器のプレー
ト、17…熱伝達板、18…プレート間の空間、19…分流ガ
イド板、20…上側集合管、21…下側集合管、22…圧縮
機、26…凝縮器、27…膨張弁ユニット、28…膨張弁、29
…逆止弁、30…三方弁、32…四方弁、31…圧縮機の高圧
口、33…圧縮機の低圧口、34…ヘッダー、35…電磁開閉
弁、36…分流管。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 夜間電力を利用してヒートポンプを作動
   させ、ヒートポンプの冷媒通路切り換え作動により、蓄
   熱槽(１)内に配置した熱交換器(４)にコールドガスとホ
   ットガスとを交互に供給することにより、蓄熱槽(１)内
   で氷を連続的に製造して、この氷を蓄熱槽(１)内に貯氷
   して冷熱エネルギーを貯蔵するようにした連続製氷式蓄
   熱装置において、 蓄熱槽(１)の内部に製氷部(２)と貯氷部(３)とを上下に
   連続して形成し、製氷部(２)に配置したヒートポンプの
   蒸発器を構成する熱交換器(４)をプレートフィンアンド
   チューブ式のもので構成し、この熱交換器(４)の各プレ
   ート(16)間で上下に位置する各チューブ(15)の外面に接
   触する熱伝達板(17)で一連に被覆することにより、プレ
   ート(16)間に断面角形の空間(18)を形成し、熱交換器
   (４)の上側に散液管(５)を配置するとともに、貯氷部
   (３)から導出したチラー溶液通路を送液ポンプ(７)を介
   して散液管(５)に接続することにより蓄冷用チラー溶液
   循環路(８)を形成し、熱交換器(４)のプレート(16)間で
   の上端部に散液管(５)から供給されたチラー溶液をプレ
   ート表面側に案内する分流ガイド板(19)を配置し、ヒー
   トポンプの圧縮機(22)の高圧口(33)を四方弁(32)、凝縮
   器(26)、２つの膨張弁ユニット(27)を介して熱交換器
   (４)の下側集合管(21)に接続し、圧縮機(22)の低圧口(3
   3)を前記四方弁(32)と三方弁(30)を介して熱交換器(４)
   の上側集合管(20)に接続し、前記各膨張弁ユニット(27)
   を逆止弁(29)と膨張弁(28)とを並列に配置して構成し、
   三方弁(30)の共通ポートを四方弁(32)に接続するととも
   に、三方弁(30)の一方の選択ポートを熱交換器(４)に、
   他方の選択ポートをヘッダー(34)にそれぞれ接続し、こ
   のヘッダー(34)から電磁開閉弁(35)を介して導出した分
   流管(36)を熱交換器(４)のチューブ(15)の折り返し部分
   に配管し、四方弁(32)と三方弁(30)及び電磁開閉弁(35)
   を連動切換可能に構成し、圧縮機(22)の高圧口(31)が熱
   交換器(４)の下側集合管(21)に連通する状態では熱交換
   器(４)にコールドガスを供給し、圧縮機(22)の低圧口(3
   3)が熱交換器(４)の下側集合管(21)に連通する状態では
   熱交換器(４)にホットガスを供給するように構成したこ
   とを特徴とする連続製氷式蓄熱装置。