JPH05312359A - 連続製氷式蓄熱方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型でありながら生成された氷の離脱を効率
よく行って氷を連続的に製造することができる蓄熱シス
テムを提供する。 【構成】 蓄熱槽(１)内に製氷部(２)と貯氷部(３)とを
上下に連続する状態に形成する。製氷部(２)内に配置し
た熱交換器(４)に圧縮機(15)で加圧したホットガスと加
圧ガスを凝縮液化したのち減圧したコールドガスとを切
換供給可能に構成する。熱交換器(４)の表面に付着した
氷の厚さが一定に成長したことをセンサーが検出する
と、熱交換器(４)にホットガスを供給して熱交換器(４)
の表面に付着した氷の熱交換器との接触部分を融解して
熱交換器(４)から離脱させるように構成した。

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方法及びその方法
を実施する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、本発明方法は、蓄熱槽内に配置した熱交換器にガ
ス冷凍機を接続し、蓄熱槽内のチラー溶液を熱交換器に
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蓄熱方法において、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とガス冷凍機の圧縮機とを接続
するガス冷媒通路に四方弁を配置し、四方弁の切換えで
熱交換器にコールドガスとホットガスとを切換供給可能
に構成するとともに、熱交換器に上方からチラー溶液を
作用させるように構成し、熱交換器にコールドガスを供
給している状態でチラー溶液を熱交換器の表面に凍結さ
せてチラー溶液の氷を生成し、熱交換器の表面に付着し
た氷が一定厚さに成長した際、四方弁を切り換えて熱交
換器にホットガスを一定時間供給することにより、熱交
換器に着氷したチラー溶液氷を熱交換器の表面から離脱
させ、この離脱氷を貯氷部内でチラー溶液に浮かした状
態で貯蔵し、製氷工程と離氷工程とを順次繰り返し、チ
ラー溶液を冷熱源液体として使用するように構成したこ
とを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明方法では、蓄熱槽内に配置した熱交換器
にガス冷凍機を接続し、蓄熱槽内のチラー溶液を熱交換
器に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蓄熱方法において、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とガス冷凍機の圧縮機とを
接続するガス冷媒通路に四方弁を配置し、四方弁の切換
えで熱交換器にコールドガスとホットガスとを切換供給
可能に構成するとともに、熱交換器に上方からチラー溶
液を作用させるように構成し、熱交換器にコールドガス
を供給している状態でチラー溶液を熱交換器の表面に凍
結させてチラー溶液の氷を生成し、熱交換器の表面に付
着した氷が一定厚さに成長した際、四方弁を切り換えて
熱交換器にホットガスを一定時間供給することにより、
熱交換器に着氷した氷を熱交換器の表面から離脱させ、
この離脱氷を貯氷部内でチラー溶液に浮かした状態で貯
蔵し、製氷工程と離氷工程とを順次繰り返し、チラー溶
液を冷熱源液体として使用するように構成しているの
で、熱交換器にコールドガスと圧縮機で圧縮されたホッ
トガスとが切り換え供給されることになるから、コール
ドガス供給時に熱交換器の表面に氷結した氷が、ホット
ガスの保有熱で熱交換器の表面から短時間に離脱するす
ることになる。

【００１０】

【実施例】図面は冷房装置に本発明方法を適用した場合
の系統図である。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。

【００１１】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。

【００１２】製氷部(２)に配置した熱交換器(４)はプレ
ート式の熱交換器で形成してあり、この熱交換器(４)と
圧縮機(15)とを閉サイクルで接続して、冷凍機回路(16)
を形成している。この冷凍機回路(16)には、２個の膨張
弁ユニット(17)と凝縮器(18)及び四方弁(19)が直列に配
置してあり、各膨張弁ユニット(17)はそれぞれ膨張弁(2
0)と逆止弁(21)を並列に配置して構成してある。

【００１３】冷凍機回路(16)に配置した四方弁(19)は、
熱交換器(４)からの戻り路(22)が圧縮機(15)の吸入ポー
ト(23)に接続し、圧縮機(15)の吐出ポート(24)が凝縮器
(18)に接続する製氷工程と、熱交換器(３)からの戻り路
(22)が圧縮機(15)の吐出ポート(24)に接続し、圧縮機(1
5)の吸入ポート(23)が凝縮器(18)に接続する解氷工程と
に制御装置(25)からの指令で切り換わるように構成して
ある。

【００１４】制御装置(25)には製氷部(２)に配置されて
いる熱交換器(３)に対応させて配置した氷厚検出センサ
ーからのリード線が接続してある。そして、この氷厚検
出センサーは熱交換器プレート同士間にプレート表面か
ら一定間隔へだてて配置してあり、プレート表面に付着
した氷が一定厚みになったことを検出して制御装置(25)
に信号を伝達するようになっている。また、この制御装
置(25)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。

【００１５】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、冷凍機回路(16)に配置した四方弁(19)
は、熱交換器(４)からの戻り路(22)が圧縮機(15)の吸入
ポート(23)に接続し、圧縮機(15)の吐出ポート(24)が凝
縮器(18)に接続する状態になっている。この状態では、
圧縮機(15)で圧縮された冷媒ガスは、四方弁(19)を介し
て凝縮器(18)に送り込まれ、ここで放熱液化し、膨張弁
ユニット(17)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。

【００１６】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(８)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熱交換器(４)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、氷着した氷の厚みが所定の厚さになったこ
とを氷厚検出センサーが検出すると、制御装置(25)が作
動して四方弁(19)を切り換える。なお、氷厚検出センサ
ーが所定厚みを検出する前に製氷時間設定タイマーで設
定した達すると、制御装置(25)が作動して四方弁(19)を
切り換えるように構成してある。

【００１７】(ｂ) 解氷工程 解氷工程では、熱交換器(４)からの戻り路(22)が圧縮機
(15)の吐出ポート(24)に接続し、圧縮機(15)の吸入ポー
ト(23)が凝縮器(18)に接続し、熱交換器(４)に圧縮機(1
5)で圧縮されたガス冷媒がホットガスの状態で流入す
る。そして、四方弁(19)が切替わることにより制御装置
(25)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。脱氷した氷は貯氷部(３)に落
下するが、このとき、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、落下貯氷時に板状が崩
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(19)を切り
換えて製氷工程に切り換わる。

【００１８】（Ｃ) 冷房工程 冷房工程では、冷凍機回路(16)に配置した四方弁(19)
を、熱交換器(４)からの戻り路(22)が圧縮機(15)の吸入
ポート(23)に接続し、圧縮機(15)の吐出ポート(24)が凝
縮器(18)に接続した状態で冷凍機を作動させ、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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】

【発明の効果】本発明方法では、製氷部と貯氷部とを上
下に連続する状態に形成した蓄熱槽内に配置した熱交換
器に圧縮機で加圧したホットガスとこのホットガスを凝
縮液化させたのち膨張させたコールドガスとを切換供給
可能に構成し、熱交換器の表面に付着した氷の厚みが一
定に成長すると、熱交換器にホットガスを供給して付着
した氷を融解離脱させるように構成しているので、氷を
過冷却にすることなく生成することができ、離脱した氷
は貯氷部で容易に崩れて、貯氷部に氷をスラリー状で貯
蔵することができる。これにより、小型の装置で貯氷部
に貯蔵されている冷却液体での冷熱保有量を大幅に増や
すことができる。

【００２２】一般に熱交換器で製氷する場合、氷が成長
して厚みを増すと、熱伝達が悪化し、冷凍機の冷媒温度
か低下して冷凍装置の成績係数が低下するが、本発明で
は、コールドガスとホットガスとを交互に供給して氷が
一定の厚みに成長すると自動的に脱氷するようにしてい
ることから、熱交換器の表面に生成される氷は常時生成
中の状態となって氷温が０℃以下に過冷却されることは
なく、冷凍装置の冷媒温度が低温にならず高い成績係数
の冷凍装置で効率よく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】本発明方法を冷房装置に適用した場合の系統図
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…チラー溶液循環路、 15…
圧縮機、16…冷凍機回路、 17…
膨張弁ユニット、18…凝縮器、
19…四方弁、20…膨張弁、
21…逆止弁。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 夜間電力を利用して蓄熱槽(１)内の貯氷
   して冷熱エネルギーを貯蔵するようにした蓄熱方法にお
   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、この製氷部(２)に配置した熱交換器
   (４)と圧縮機(15)とを接続する冷凍機回路(16)に四方弁
   (19)を配置し、四方弁(19)の切換えで熱交換器(４)にコ
   ールドガスとホットガスとを切換供給可能に構成すると
   ともに、熱交換器(４)に上方からチラー溶液を作用させ
   るように構成し、熱交換器(４)にコールドガスを供給し
   ている状態でチラー溶液を熱交換器(４)の表面に凍結さ
   せてチラー溶液の氷を生成し、熱交換器(４)の表面に付
   着したチラー溶液の氷が一定厚さに成長した際、四方弁
   (19)を切り換えて熱交換器(４)に圧縮機(15)からのホッ
   トガスを一定時間供給することにより、熱交換器(４)に
   着氷したチラー溶液の氷を熱交換器(４)の表面から離脱
   させ、この離脱氷を貯氷部(３)内でチラー溶液に浮かし
   た状態で貯蔵し、製氷工程と離氷工程とを順次繰り返
   し、チラー溶液を冷熱源液体として使用するように構成
   したことを特徴とする連続製氷式蓄熱方法。
2. 【請求項２】 夜間電力を利用して蓄熱槽(１)内の貯氷
   して冷熱エネルギーを貯蔵するようにした蓄熱装置にお
   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)に冷凍機の蒸発器を構成す
   るプレート式熱交換器(４)を配置し、この熱交換器(４)
   のプレート同士間に氷着した氷の厚みを検出する厚み検
   出センサーを配置し、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、圧縮
   機(15)と熱交換器(４)とを接続する冷凍機回路(16)に２
   つの膨張弁ユニット(17)と凝縮器(18)及び四方弁(19)と
   を直列に配置し、各膨張弁ユニット(17)を逆止弁(21)と
   膨張弁(20)とを並列に配置して構成し、四方弁(19)を厚
   み検出センサーからの検出信号に基づき切り換えること
   により、熱交換器(４)にコールドガスとホットガスとを
   切換え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。