(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製氷用の水(W) を貯留する氷蓄熱槽(10)と、
該氷蓄熱槽(10)内において上記水(W) に浸漬されると共に、冷媒配管(6) を介して圧縮機(2) に接続されて該圧縮機(2) との間で冷媒の循環が可能とされた伝熱管(11)とを備え、
圧縮機(2) から吐出され、凝縮及び減圧された冷媒を上記伝熱管(11)に流通させ、該冷媒を伝熱管(11)内で蒸発させながら水(W) との間で熱交換を行って伝熱管(11)の外周囲に氷を生成するようにした氷蓄熱式冷凍装置において、
伝熱管(11)の出口部分において冷媒の液相を残して該冷媒と水(W) との間の熱伝達率が維持されるように、冷媒の乾き度を所定値以下に設定する乾き度設定手段(26)と、
伝熱管(11)から導出された冷媒を加熱して、該冷媒の液相を蒸発させる加熱手段(20)とが備えられ、
氷蓄熱槽(10)の外周囲には、該氷蓄熱槽(10)の内部と外部とを断熱する断熱空気が収容された断熱空間(10c) が形成されており、
加熱手段(20)は、伝熱管(11)から導出された冷媒と上記断熱空気との間で熱交換を行うものであることを特徴とする氷蓄熱式冷凍装置。
【請求項２】
加熱手段(20)は、
断熱空間(10c) に連続する熱交換空間(27a) と、
伝熱管(11)の出口側に接続され、且つ一部が上記熱交換空間(27a) の内部に収容された冷媒配管(14)と、
上記断熱空間(10c) と熱交換空間(27a) との間で断熱空気を循環させて、熱交換空間(27a) 内において冷媒配管(14)内の冷媒と断熱空気との間で熱交換を行わせる送風手段(30)とを備えていることを特徴とする請求項１記載の氷蓄熱式冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、氷蓄熱式冷凍装置に係り、特に、製氷用の水が貯留された氷蓄熱槽内に伝熱管が収容され、該伝熱管において冷媒を蒸発させることにより上記水を冷却して伝熱管の周囲に氷を生成するようにしたものにおけるI.P.F.の向上対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、空調システムその他工業用、農業用の冷却システム等への利用を目的として、例えば特開平６−１５９９６６号公報に開示されているような製氷用の伝熱管を備えた冷凍装置が知られている。この種の冷凍装置は、内部に製氷用の水が貯留され且つ該水に浸漬された伝熱管を収容した氷蓄熱槽を備えており、伝熱管に冷媒を流通させ、この冷媒と水との間で熱交換を行って該冷媒を蒸発させながら水を冷却して伝熱管回りに氷を生成するようにしている。具体的には、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び氷蓄熱槽が冷媒配管により冷媒の循環が可能に接続されており、圧縮機で圧縮された冷媒が、凝縮器で凝縮された後、膨張弁で減圧されて乾き度が０．２〜０．３程度とされて気液混合状態となって氷蓄熱槽内の伝熱管に供給され、この冷媒と水との間での熱交換により伝熱管回りに氷が生成される。そして、この冷媒は、伝熱管内で過熱状態のガス冷媒となり、伝熱管から取出された後、圧縮機に戻される。このようにして冷媒が循環されることにより、連続的な製氷動作が行われるようになっている。
【０００３】
また、このようにして生成された氷を融解する冷熱取出し時には、室内側熱交換器等の利用側熱交換器と氷蓄熱槽との間で水を循環させて氷を外側から融解したり、圧縮機の吐出冷媒を伝熱管に流し、この冷媒を凝縮或いは過冷却することにより氷を内側から融解したりすることによって氷の冷熱を室内の冷房などを行う際の冷熱源として利用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の製氷動作では、伝熱管の出口部分周辺では、伝熱管回りでの製氷量が極端に少なくなっている。これは、冷媒の乾き度が大きくなると、その熱伝達率が極端に低下してしまうことが原因である。この現象について詳しく説明すると、図９(a) は冷媒の乾き度とその熱伝達率との関係を示しており、伝熱管の入口部分では乾き度が小さく（図９における点Ａ、例えば乾き度０．２）、気液二相流のうちの液相の大部分が伝熱管の内壁に沿って流れるために、この液冷媒と水との熱交換量が大きく、効率的な製氷動作が行われており、この状態は、冷媒の乾き度が所定の高い値（図９における点Ｂ、例えば０．９５）に達するまで行われる。そして、この乾き度が所定値に達すると、伝熱管内を流れる冷媒は噴霧状態となり、伝熱管の内壁近傍では気相の冷媒が流れることになって冷媒と水との熱交換量が急激に小さくなる。このため、図９(b) に示すように、乾き度がこの値に達した位置よりも下流側では、伝熱管(a) 回りに生成される氷(b) の径が極端に小さくなってしまう。
【０００５】
このような現象が氷蓄熱槽内の伝熱管において生じており、図１０に示すように、氷蓄熱槽(c) の内部の伝熱管(a) における冷媒流れの下流端付近にあっては、十分な製氷が行われておらず、この部分では、製氷されないまま残留された水(d) が多量に残っており、これにより、氷蓄熱槽(c) 全体としてのI.P.F.の低下に繋っていた。また、そればかりでなく、氷(b) を融解する冷熱取出し時において、氷(b) の融解が進むと、この製氷量が少ない部分では、その他の部分よりも先に氷(b) が完全に融解されてしまい、この部分を冷熱の取出しに寄与させることができなくなってしまう。このため、冷熱の取出し面積の減少に伴って効率の高い冷熱取出し動作を行うことができない。
【０００６】
本発明は、この点に鑑みてなされたものであって、伝熱管の全長に亘って均等な製氷を行い、氷蓄熱槽全体としてのI.P.F.を十分に高く確保すると共に、冷熱取出し時にあっては効率の高い冷熱取出し動作を行うことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、伝熱管内の冷媒を所定の乾き度以下にして、この伝熱管内の全体に亘って高い熱伝達率を確保すると共に、伝熱管から導出された気液二相流を加熱してガス冷媒とすることにより、圧縮機への液バックを回避するようにした。
【０００８】
具体的に、請求項１記載の発明は、図１に示すように、製氷用の水(W) を貯留する氷蓄熱槽(10)と、該氷蓄熱槽(10)内において上記水(W) に浸漬されると共に、冷媒配管(6) を介して圧縮機(2) に接続されて該圧縮機(2) との間で冷媒の循環が可能とされた伝熱管(11)とを備え、圧縮機(2) から吐出され、凝縮及び減圧された冷媒を上記伝熱管(11)に流通させ、該冷媒を伝熱管(11)内で蒸発させながら水(W) との間で熱交換を行って伝熱管(11)の外周囲に氷を生成するようにした氷蓄熱式冷凍装置を前提としている。そして、伝熱管(11)の出口部分において冷媒の液相を残して該冷媒と水(W) との間の熱伝達率が維持されるように、冷媒の乾き度を所定値以下に設定する乾き度設定手段(26)と、伝熱管(11)から導出された冷媒を加熱して、該冷媒の液相を蒸発させる加熱手段(20)とを備えさせた構成としている。さらに、図７に示すように、氷蓄熱槽(10)の外周囲に、該氷蓄熱槽(10)の内部と外部とを断熱する断熱空気が収容された断熱空間(10c) を形成し、加熱手段(20)を、伝熱管(11)から導出された冷媒と上記断熱空気との間で熱交換を行うものとした構成としている。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の氷蓄熱式冷凍装置において、加熱手段(20)に、断熱空間(10c) に連続する熱交換空間(27a) と、伝熱管(11)の出口側に接続され、且つ一部が上記該熱交換空間(27a) の内部に収容された冷媒配管(14)と、上記断熱空間(10c) と熱交換空間(27a) との間で断熱空気を循環させて、熱交換空間(27a) 内において冷媒配管(14)内の冷媒と断熱空気との間で熱交換を行わせる送風手段(30)とを備えさせた構成としている。
【００１０】
【作用】
上記の構成により、本発明では以下に述べるような作用が得られる。請求項１記載の発明では、装置の製氷運転時には、圧縮機(2) から吐出されて凝縮及び減圧された冷媒が伝熱管(11)に流通され、該冷媒が伝熱管(11)内で蒸発しながら氷蓄熱槽(10)内の水(W) との間で熱交換を行って伝熱管(11)の外周囲に氷が生成される。そして、この際、伝熱管(11)の出口部分では、乾き度設定手段(26)により冷媒の乾き度が所定値以下に設定され、これによって、この出口部分では冷媒の液相が残されて該冷媒と水(W) との間の熱伝達率が高く維持される。このため、伝熱管(11)では、その全長に亘って水(W) との間の熱伝達率が高い状態で冷媒が流れることになり、伝熱管(11)の全体に亘って氷が均等に生成されて高いI.P.F.が確保されることになる。また、この状態では、伝熱管(11)から導出された冷媒は気液混合状態となっているが、加熱手段(20)により冷媒が加熱されて該冷媒の液相は蒸発され、これによって圧縮機(2) に回収される冷媒はガス状態となり、該圧縮機(2) への液バックが発生することはない。
【００１１】
また、氷蓄熱槽(10)内に貯留された氷の冷熱を利用する冷熱利用運転時には、該氷蓄熱槽(10)内において氷が融解されることになる。この際、上述した製氷運転時において伝熱管(11)の全体に亘って氷が均等に生成されているために、この氷が局部的に完全に融解されてしまってその部分を冷熱の取出しに寄与させることができなくなってしまうといった状況の発生が回避され、伝熱管(11)全体を冷熱の取出しに寄与させることができる。
【００１２】
さらに、製氷運転時、伝熱管(11)から導出された気液混合冷媒は、加熱手段(20)により、氷蓄熱槽(10)の周囲の断熱空気との間で熱交換が行われる。これにより、該冷媒の液相は蒸発され圧縮機(2) にはガス冷媒が回収される。また、この際、断熱空気は冷却されることになり、氷蓄熱槽(10)周囲の断熱空間(10c) に、この比較的低温の断熱空気が存在することになって、該氷蓄熱槽(10)の内部と外部との断熱性が向上する。
【００１３】
請求項２記載の発明では、製氷運転時には、送風手段(30)が駆動され、断熱空間(10c) と熱交換空間(27a) との間で断熱空気が循環する。これにより、熱交換空間(27a) 内において、伝熱管(11)出口側の冷媒配管(14)を流れる冷媒と断熱空気との間で熱交換が行われ、冷媒は液相が蒸発し、断熱空気は冷却される。そして、この冷却された断熱空気は断熱空間(10c) に戻されて氷蓄熱槽(10)の内部と外部との断熱を行うことになる。
【００１４】
【実施例】
（前提技術の形態例）
次に、本発明の前提技術の形態例を図面に基いて説明する。また、本例では、本発明に係る氷蓄熱式冷凍装置(1) を冷房専用の空気調和装置に適用した場合について説明する。図１は本例に係る氷蓄熱式冷凍装置(1) のシステム回路図である。この図１に示すように、本冷凍装置(1) は、インバータ制御によって運転周波数が可変とされた圧縮機(2) と、凝縮器として機能する室外熱交換器(3) と、冷媒の減圧を行う開度調整可能な電動膨張弁(4) と、蒸発器として機能する室内熱交換器(5) とが冷媒配管(6) によって順次接続され、これにより、冷媒が循環する主冷媒回路(7) が構成されている。
【００１５】
また、この冷凍装置(1) は、冷熱源としての氷を蓄熱するために製氷用の水(W) を貯留した氷蓄熱槽(10)を備えている。この氷蓄熱槽(10)の内部には、上記水(W) に浸漬され、且つ冷媒の流通が可能な伝熱管(11)が備えられており、この伝熱管(11)の一端には第１分岐管(12)が接続されており、この第１分岐管(12)と、上記電動膨張弁(4) 及び室内熱交換器(5) の間の冷媒配管(6) とは第１三方弁(13)を介して接続されている。これにより、この第１三方弁(13)によって電動膨張弁(4) から導出された冷媒が室内熱交換器(5) に向って流れる状態と氷蓄熱槽(10)に向って流れる状態とに切換えられるようになっている。また、伝熱管(11)の他端には第２分岐管(14)が接続されており、この第２分岐管(14)と、上記圧縮機(2) の吐出側とは第２三方弁(15)を介して接続されている。これにより、この第２三方弁(15)によって圧縮機(2) からの吐出冷媒が室外熱交換器(3) に向って流れる状態と氷蓄熱槽(10)に向って流れる状態とに切換えられるようになっている。
【００１６】
また、上記室外熱交換器(3) と電動膨張弁(4) との間の冷媒配管(6) と、第１分岐管(12)とは第３分岐管(16)によって接続されている。また、この第３分岐管(16)には、開閉自在な第１開閉弁(17)が備えられている。更に、上記第２分岐管(14)と圧縮機(2) の吸入側とは第４分岐管(18)によって接続されている。また、この第４分岐管(18)には、開閉自在な第２開閉弁(19)が備えられている。
【００１７】
そして、本例の特徴の一つとして、この冷凍装置(1) には、氷蓄熱槽(10)内で氷を生成する製氷運転時に該氷蓄熱槽(10)から導出された冷媒と室外熱交換器(3) から導出された冷媒との間で熱交換を行うための加熱手段としての熱交換器(20)が設けられている。この熱交換器(20)は、上記室外熱交換器(3) 下流側の冷媒配管(6) と第２分岐管(14)とに跨って配設されており、この冷媒配管(6) を流れる冷媒と第２分岐管(14)を流れる冷媒との間で熱交換が行われるようになっている。
【００１８】
この熱交換器(20)の具体的な構成について説明すると、図２に示すように、冷媒配管(6) と第２分岐管(14)とが近接して配置されており、この両配管(6,14)に亘って該各配管(6,14)の延長方向に対して直交する方向に延びる複数枚の伝熱板(21,21, …) がその厚さ方向に所定間隔を存した状態で架設されて構成されている。この伝熱板(21)は、銅或いはアルミニウム等の熱伝導率の高い材料で形成されており、冷媒配管(6) を流れる冷媒と第２分岐管(14)を流れる冷媒との間で熱交換が効率良く行われるようになっている。
【００１９】
そして、本冷凍装置(1) には、圧縮機(2) の運転周波数、電動膨張弁(4) の開度、各三方弁(13,15) の切換え動作及び各開閉弁(17,19) の開閉動作を夫々制御するためのコントローラ(25)が備えられている。また、このコントローラ(25)には、製氷運転時における伝熱管(11)の下流端部分での冷媒の乾き度を０．９以下に維持するために電動膨張弁(4) の開度を調整する乾き度設定手段(26)が備えられている。つまり、この電動膨張弁(4) が乾き度調整弁として機能するようになっている。
【００２０】
次に、上述の如く構成された冷凍装置(1) の運転動作について説明する。この冷凍装置(1) の運転動作としては、氷の冷熱を使用せずに室内を冷房する通常冷房運転、氷蓄熱槽(10)内に冷熱源としての氷を生成する製氷運転、氷蓄熱槽(10)内に生成された氷の冷熱を使用して室内を冷房する冷熱利用冷房運転とが選択的に行われる。以下、各運転状態について説明する。
【００２１】
先ず、通常冷房運転について説明する。この運転動作にあっては、第１三方弁(13)及び第２三方弁(15)を共に図１において実線で示す切換え状態にし、第１開閉弁(17)及び第２開閉弁(19)を共に閉鎖させた状態で電動膨張弁(4) の開度を調整しながら行う。つまり、図１に実線で示す矢印のように、圧縮機(2) から吐出された高温高圧のガス冷媒を室外熱交換器(3) で凝縮して液化させた後、電動膨張弁(4) で減圧させて室内熱交換器(5) に導入する。そして、この室内熱交換器(5) において冷媒と室内空気との間で熱交換を行い、該冷媒を蒸発させながら室内空気を冷却して室内の冷房を行う。その後、この熱交換により過熱状態とされたガス冷媒は圧縮機(2) に回収される。このような冷媒の循環動作が連続的に行われて室内が冷房される。
【００２２】
次に、本例の特徴とする動作としての製氷運転について図３のモリエル線図を参照しながら説明する。この運転動作にあっては、第１三方弁(13)を図１において破線で示す切換え状態にすると共に第２三方弁(15)を実線で示す切換え状態とし、第１開閉弁(17)を閉鎖させると共に第２開閉弁(19)を開放させた状態で電動膨張弁(4) の開度を乾き度設定手段(26)により調整しながら行う。つまり、図１に破線で示す矢印のように、圧縮機(2) で圧縮され（図３のＡ〜Ｂ）、該圧縮機(2) から吐出された高温高圧のガス冷媒を室外熱交換器(3) で凝縮して液化させた後、熱交換器(20)を経て（図３のＢ〜Ｃ）、電動膨張弁(4) で減圧させて氷蓄熱槽(10)内の伝熱管(11)に導入する（図３のＣ〜Ｄ）。この際、伝熱管(11)には冷媒が乾き度が０．２程度の状態で導入されることになる。そして、この伝熱管(11)において冷媒と製氷用の水(W) との間で熱交換を行い、該冷媒を蒸発させながら水(W) を冷却して伝熱管(11)の外周囲に氷を生成する。その後、この伝熱管(11)から導出された冷媒は、第２分岐管(14)を流れ、熱交換器(20)を経て第４分岐管(18)より圧縮機(2) に回収される（図３のＤ〜Ａ）。このような冷媒の循環動作が連続的に行われて氷蓄熱槽(10)に冷熱源としての氷が貯えられる。
【００２３】
そして、このような製氷動作において、乾き度設定手段(26)は、伝熱管(11)から導出される冷媒の乾き度が０．９程度に設定されるように電動膨張弁(4) の開度を設定している。つまり、この伝熱管(11)内部において冷媒が過熱状態とならないように開度を調整する。このため、伝熱管(11)では、その全長に亘って水
(W) との間の熱伝達率が高い状態の冷媒が流れることになり、従来のように、伝熱管(11)の下流端周辺部分で乾き度が大きくなって製氷径が小さくなるといったことはなくなり、伝熱管(11)の全体に亘って氷が均等に生成されることになる。
【００２４】
更に、上述の如く、伝熱管(11)から導出された冷媒は乾き度が０．９程度に設定されているために、気相と液相とが混合された気液混合状態となって第２分岐管(14)を流れている。そして、本例の特徴の１つとしては、この第２分岐管(14)を流れる気液混合状態の冷媒が熱交換器(20)に達した際の動作にある。このように気液混合状態の冷媒が熱交換器(20)に達すると、この熱交換器(20)において、室外熱交換器(3) 下流側の液冷媒と第２分岐管(14)の気液混合冷媒との間で伝熱板(21)を介して熱交換が行われ、この第２分岐管(14)の冷媒は加熱されて液相が蒸発し、全体がガス状態となる。そして、このガス状態となった第２分岐管(14)の冷媒は第４分岐管(18)を経て圧縮機(2) に回収される。このため、圧縮機(2) に液冷媒が回収されてしまうことがなくなり、所謂液バックが回避されて圧縮機(2) の故障の発生が防止されることになる。これを図３のモリエル線図で説明すると、伝熱管(11)の出口部分において点Ｅで示す乾き度が０．９の気液混合冷媒が、熱交換器(20)において加熱されて点Ａの過熱状態となって圧縮機(2) に回収されることになる。つまり、この冷媒は、熱交換器(20)において、冷媒配管(6) を流れる液冷媒との間で熱交換を行ってΔｈだけエンタルピが上昇する。
【００２５】
一方、この熱交換器(20)において、室外熱交換器(3) 下流側の液冷媒は冷却されて過冷却状態となる。これを図３のモリエル線図で説明すると、熱交換器(20)への入口部分において点Ｆで示す液冷媒が、熱交換器(20)において冷却されて点Ｃの過冷却状態となって電動膨張弁(4) に向って流されることになる。つまり、この冷媒は、熱交換器(20)において、第２分岐管(14)を流れる冷媒との間で熱交換を行ってΔｈだけエンタルピが降下する。
【００２６】
このように、本例の製氷運転にあっては、伝熱管(11)の全体に亘って氷が均等に生成されることにより、従来のように、伝熱管(11)における冷媒流れの下流端付近において、製氷されないまま残留された水(W) が多量に残るといった状況の発生が回避され、氷蓄熱槽(10)全体としてのI.P.F.の向上を図ることができ、また、伝熱管(11)から導出された液冷媒を熱交換器(20)で気化させることで装置全体の保護を図っている。更に、この液冷媒を熱交換器(20)で気化させる際に該冷媒から放出される冷熱を、冷媒配管(6) を流れる冷媒の過冷却に寄与させることにより、熱損失の発生を抑制して冷凍能力の維持を図っている。
【００２７】
次に、冷熱利用冷房運転について説明する。この運転動作にあっては、第１三方弁(13)を図１において実線で示す切換え状態にすると共に第２三方弁(15)を破線で示す切換え状態とし、第１開閉弁(17)を開放させると共に第２開閉弁(19)を閉鎖させた状態で電動膨張弁(4) の開度を調整しながら行う。つまり、図１に一点鎖線で示す矢印のように、圧縮機(2) から吐出された高温高圧のガス冷媒を、第２分岐管(14)を経て氷蓄熱槽(10)内の伝熱管(11)に導入し、該伝熱管(11)内において氷の冷熱を利用して凝縮させた後、第３分岐管(16)を経て電動膨張弁(4) で減圧させて室内熱交換器(5) に導入する。そして、この室内熱交換器(5) において冷媒と室内空気との間で熱交換を行い、該冷媒を蒸発させながら室内空気を冷却して室内の冷房を行う。その後、この蒸発して過熱状態とされた冷媒は圧縮機(2) に回収される。このような冷媒の循環動作が連続的に行われて氷の冷熱を利用した室内の冷房が行われる。
【００２８】
このような冷熱利用冷房運転時には、氷蓄熱槽(10)内において冷媒の凝縮に伴って氷が融解されることになる。この際、上述したように、製氷運転時において伝熱管(11)の全体に亘って氷が均等に生成されているために、この氷が局部的に完全に融解されてしまってその部分を冷熱の取出しに寄与させることができなくなってしまうといった状況の発生が回避され、伝熱管(11)全体を冷熱の取出しに寄与させることができ、効率の高い冷熱取出し動作を行うことができ、室内の冷房能力の向上を図ることができる。
【００２９】
−電動膨張弁の制御動作−
次に、上述した製氷運転時において、伝熱管(11)から導出された冷媒の乾き度を０．９程度に設定するための乾き度設定手段(26)による電動膨張弁(4) の制御動作について具体的に説明する。
【００３０】
熱交換器(20)において第２分岐管(14)を流れる乾き度０．９の気液混合冷媒が乾き度１．０のガス冷媒になる際の吸熱量は、乾き度０．９〜１．０のエンタルピ差をΔｈ（kcal/kg ℃）とし、冷媒流量をｑr （kg/h）とした場合（Δｈは冷媒圧力を検出してモリエル線図により求め、ｑr は式ｑr ＝ηv ・ｑvr／Ｖi より求める。尚、ηv:体積効率、ｑvr: 圧縮機ピストンの押し退け量(m3 /h) 、Ｖi:比体積（kg/m3 ）である。）、
Ｑ＝ｑr ・Δｈ                                  …(1)
である。
【００３１】
一方、熱交換器(20)において冷媒配管(6) を流れる液冷媒の放熱量は、冷媒の比熱をＣr とし、熱交換器(20)における液冷媒の入口温度をθin、出口温度をθout とした場合、
Ｑr ＝ｑr ・Ｃr ・（θin−θout ）              …(2)
となる。そして、Ｑ＝Ｑr であるから、
ｑr ・Δｈ＝ｑr ・Ｃr ・（θin−θout ）        …(3)
であり、これを展開すると、
θin−θout ＝Δｈ／Ｃr                         …(4)
となる。これにより、熱交換器(20)における液冷媒の入口温度θin及び出口温度θout を夫々検出し、上記(4) 式の関係が成立するように電動膨張弁(4) の開度を乾き度設定手段(26)により調整すれば、伝熱管(11)の下流端部での冷媒の乾き度を０．９に設定し、熱交換器(20)において、この冷媒のガス相を完全に蒸発させてガス冷媒のみを圧縮機(2) の回収することができる。
【００３２】
−実験例−
次に、上述した冷凍装置(1) を実際に作製して製氷運転を行った実験例について説明する。本実験で使用した氷蓄熱槽(10)の寸法は、横０．８６ｍ、奥行き０．４５ｍ、高さ０．８１ｍであり、その内部に初期水温５℃の水を２９０リットル貯留させた。また、この氷蓄熱槽(10)での氷の蓄熱量を１７０００kcal（製氷量で２１２．５kg）に設定し、この氷を８時間で生成するようにした。
【００３３】
このような条件を満たすために必要となる総蓄熱量は、水の顕熱量を１５００kcal、氷の顕熱量を５００kcalとした場合、合計１９０００kcalとなり、１時間当りの必要蓄熱量は２３７５kcal/hである。
【００３４】
そして、製氷運転時の条件として、図３のモリエル線図に示すように、伝熱管(11)における蒸発温度teを−５℃、室外熱交換器(3) における凝縮温度tcを５０℃、圧縮機(2) に吸入される冷媒の過熱度SH及び室外熱交換器(3) 出口側の過冷却度SCを夫々５℃とした場合、このモリエル線図よりエンタルピ差Δｈ1 は３５kcal/kg であり、必要冷媒流量は６８kg/hとなる。
【００３５】
そして、本実験では、冷媒流量を７５kg/hとして製氷運転を行い、上述したような電動膨張弁(4) の開度制御により伝熱管(11)の出口側の冷媒の乾き度を０．９に設定した。
【００３６】
このような運転状態では、第２分岐管(14)の熱交換器(20)出口側では冷媒は完全にガス状態となっており（過熱度５℃）、モリエル線図によれば、冷媒配管(6) の熱交換器(20)出口側では液冷媒は１５℃の過冷却度が付いた状態となっている。
【００３７】
−熱交換器の変形例−
次に、熱交換器の変形例について説明する。図４〜図６は、夫々熱交換器(20)の変形例を示している。図４に示すものは、第１の変形例であって、冷媒配管(6) と第２分岐管(14)とを互いに重ね合わせたものである。つまり、この両配管(6,14)の外周面同士を直接的に接触させて熱交換効率を高めている。また、この両配管(6,14)の外周面同士の間には２枚の伝熱板(22,22) が架設されており、これにより、両配管(6,14)の内部を流れる冷媒同士の熱交換を促進させるばかりでなく、両配管(6,14)の連結強度の向上も図っている。
【００３８】
図５に示すものは、第２の変形例であって、冷媒配管(6) と第２分岐管(14)との外周面同士が互いに接触された状態で夫々が螺旋状に捩られている。このような構成によれば、比較的製作が容易な構成でもって両配管(6,14)同士の接触面積を大きく確保しながら、この両者を一体的に組付けることができることになる。
【００３９】
図６に示すものは、第３の変形例であって、冷媒配管(6) と第２分岐管(14)とにより内外二重管が構成されて成っている。つまり、第２分岐管(14)に、部分的に大径に形成された大径部(14a) を形成し、冷媒配管(6) がこの大径部(14a) の内部を貫通するように配設されている。このような構成によっても、冷媒配管(6) を流れる冷媒と第２分岐管(14)を流れる冷媒との間での熱交換効率が高く確保されることになる。また、逆に、冷媒配管(6) を部分的に大径にし、この大径部分の内部に第２分岐管(14)を貫通させるようにしてもよい。
【００４０】
（本発明の実施例）
次に、本発明の実施例を図面に基いて説明する。本例は、氷蓄熱槽(10)及び熱交換器(20)の構造が夫々上述した前提技術の形態例のものと異なっており、その他の構成は上述のものと同様であるので、ここでは、その特徴部分についてのみ説明する。
【００４１】
図７に示すように、本例における氷蓄熱槽(10)は、そのケーシングが内外二重構造で成っており、内側のケーシング(10a) と外側のケーシング(10b) との間に断熱空間(10c) が形成されており、ここに断熱用の空気が収容されている。つまり、氷蓄熱槽(10)の内部と外部（大気）とは、この空気により断熱されており、氷蓄熱槽(10)内部に貯えられた氷が外部温度の影響を受けて融解してしまうことを抑制するようになっている。
【００４２】
そして、本例の熱交換器(20)は、図７及び図８に示すように、内部が中空の熱交換器ケーシング(27)を備え、この熱交換器ケーシング(27)の熱交換空間としての内部空間(27a) と上記断熱空間(10c) とが連通路(28)によって連通されて、この両空間(27a,10c) と連通路(28)とによって環状の空間が形成されている。また、熱交換器ケーシング(27)の内部空間(27a) には第２分岐管(14)が貫通しており、この第２分岐管(14)における熱交換器ケーシング(27)の内部空間(27a) に位置する部分の外周面には吸熱フィン(29)が一体的に取付けられている。更に、熱交換器ケーシング(27)と連通路(28)との間には送風手段としての送風機(30)が設けられており、断熱空間(10c) と熱交換器ケーシング(27)の内部空間(27a) との間で連通路(28)を介して空気が循環可能とされている。
【００４３】
このような構成により、本例の製氷運転時には、送風機(30)が駆動されることにより、断熱空間(10c) と熱交換器ケーシング(27)の内部空間(27a) との間で空気が循環され、伝熱管(11)から導出されて第２分岐管(14)を流れる乾き度が０．９の気液混合冷媒は、熱交換器ケーシング(27)の内部空間(27a) において、この循環する空気との間で熱交換を行うことになる。これにより、第２分岐管(14)を流れる気液混合冷媒は、その液相が気化され、逆に、上記空気は冷却されることになる。
【００４４】
このため、氷蓄熱槽(10)の断熱空間(10c) には常に比較的温度の低い空気が流れることになって、氷蓄熱槽(10)の内部と外部との断熱性が向上される。このため、氷蓄熱槽(10)内部に貯えられた氷が外部温度の影響を受けて融解してしまうことが確実に阻止される。
【００４５】
−電動膨張弁の制御動作−
次に、本発明の実施例における製氷運転時において、伝熱管(11)から導出された冷媒の乾き度を０．９程度に設定するための乾き度設定手段(26)による電動膨張弁(4) の制御動作について具体的に説明する。
【００４６】
熱交換器(20)において熱交換器ケーシング(27)の内部空間(27a) を流れる空気の放熱量は、空気の密度をＰ、空気の比熱をＣ、空気流量をｑair 、熱交換器ケーシング(27)における空気の入口温度をθin、出口温度をθout とした場合、
Ｑair ＝Ｐ・Ｃ・ｑair （θin−θout ）          …(5)
となる。そして、上記(1) 式よりＱ＝Ｑair であるから、
ｑr ・Δｈ＝Ｐ・Ｃ・ｑair （θin−θout ）      …(6)
であり、これを展開すると、
θin−θout ＝ｑr ・Δｈ／Ｐ・Ｃ・ｑair         …(7)
となる。これにより、熱交換器(20)における空気の入口温度θin及び出口温度θout を夫々検出し、上記(7) 式の関係が成立するように電動膨張弁(4) の開度を乾き度設定手段(26)により調整すれば、伝熱管(11)の下流端部での冷媒の乾き度を０．９に設定し、熱交換器(20)において、この冷媒のガス相を完全に蒸発させてガス冷媒のみを圧縮機(2) の回収することができる。
【００４７】
−実験例−
次に、本発明の実施例に係る冷凍装置(1) を実際に作製して製氷運転を行った実験例について説明する。本実験における氷蓄熱槽(10)の寸法及び製氷運転の条件は、上述した前提技術の形態例の実験の場合と同様である。
【００４８】
そして、本実験では、氷蓄熱槽(10)のケーシング(10a,10b) を樹脂製とし、この樹脂の熱伝導率λを０．０３kcal/mh ℃、その厚さ寸法δを８mm、氷蓄熱槽(10)の表面積ｓを３ｍ2 、断熱空間(10c) の空気温度を０℃に設定し、外気温度Ｔが３０℃である場合の氷蓄熱槽(10)の外部に放出される熱量は、
Ｑout ＝λ・Ｓ・Ｔ／δ＝３４０kal/h             …(8)
となり、氷蓄熱槽(10)からの放出量は僅かであって、十分な断熱効果が得られている。
【００４９】
尚、上述した実施例では、本発明を冷房専用の空気調和装置に適用した場合について説明したが、本発明は、これに限らず、冷房及び暖房の運転状態が切換え可能な空気調和装置や、空気調和装置以外の冷凍装置に対して適用することも可能である。
【００５０】
また、製氷運転時において伝熱管(11)から導出された気液混合冷媒を熱交換器(20)において外気との間で熱交換を行うような構成としてもよい。
【００５１】
また、伝熱管(11)の出口部分での冷媒の乾き度を０．９に設定する制御として、上述したような電動膨張弁(4) の開度制御に限らず、圧縮機(2) の運転周波数を調整するようにしてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば以下に述べるような効果が発揮される。請求項１記載の発明によれば、製氷用の水が貯留された氷蓄熱槽内において伝熱管内部で冷媒を蒸発させることにより、該伝熱管回りに氷を生成する氷蓄熱式冷凍装置に対し、製氷運転時における伝熱管の出口部分において冷媒の液相を残して該冷媒と水との間の熱伝達率が維持されるように、冷媒の乾き度を所定値以下に設定する乾き度設定手段を備えさせたために、伝熱管の全長に亘って水との間の熱伝達率が高い状態の冷媒を流すことができ、従来のように、伝熱管の下流端周辺部分で乾き度が大きくなって製氷径が小さくなるといったことはなくなり、伝熱管の全体に亘って氷が均等に生成される。このため、伝熱管における冷媒流れの下流端付近において、製氷されないまま残留された水が多量に残るといった状況の発生が回避され、氷蓄熱槽全体としてのI.P.F.の向上を図ることができる。また、このように伝熱管の全体に亘って氷が均等に生成されていることにより、この氷を融解する冷熱利用運転時には、氷が局部的に完全に融解されてしまってその部分を冷熱の取出しに寄与させることができなくなってしまうといった状況の発生が回避され、伝熱管全体を冷熱の取出しに寄与させることができ、効率の高い冷熱取出し動作を行うことができる。
【００５３】
更に、本冷凍装置に、伝熱管から導出された冷媒を加熱して、該冷媒の液相を蒸発させる加熱手段を備えさせたために、製氷運転時に伝熱管から導出された気液混合冷媒を加熱手段において加熱して液相を蒸発させ、全体をガス状態にして圧縮機に回収することができるので、該圧縮機に液冷媒が回収されてしまうことがなくなり、上述したように、伝熱管全体に亘って熱伝達率が高い状態の冷媒を流しながも、圧縮機への液バックが回避されて該圧縮機の故障の発生を防止することができる。
【００５４】
更に、氷蓄熱槽の外周囲の断熱空気と伝熱管から導出された冷媒との間で熱交換を行うようにしたために、氷蓄熱槽外周囲の断熱空間に、比較的低温の断熱空気を存在させることができ、該氷蓄熱槽の内部と外部との断熱性が向上し、氷蓄熱槽内の氷が外部温度の影響により融解することが抑制され、氷蓄熱槽内に貯留される冷熱量を長時間に亘って高く維持することができる。
【００５５】
請求項２記載の発明によれば、上述した請求項１記載の発明に係る効果を得るための構成が具体的に得られ、実用性の高い冷凍装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の前提技術の形態例における氷蓄熱式冷凍装置のシステム回路図である。
【図２】熱交換器の斜視図である。
【図３】製氷運転動作を説明するためのモリエル線図である。
【図４】熱交換器の第１の変形例を示す斜視図である。
【図５】熱交換器の第２の変形例を示す斜視図である。
【図６】熱交換器の第３の変形例を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施例における冷凍装置の一部を示す回路図である。
【図８】本発明の実施例における熱交換器を示す斜視図である。
【図９】従来の製氷状態を説明するための図である。
【図１０】従来の氷蓄熱槽内での製氷状態を示す断面図である。
【符号の説明】
(1)         氷蓄熱式冷凍装置
(2)         圧縮機
(4)         電動膨張弁（乾き度調整弁）
(6)         冷媒配管
(10)        氷蓄熱槽
(10c)       断熱空間
(11)        伝熱管
(14)        第２分岐管
(20)        熱交換器（加熱手段）
(21,22)     伝熱板
(26)        乾き度設定手段
(27a)       熱交換器ケーシングの内部空間（熱交換空間）
(29)        吸熱フィン
(30)        送風機（送風手段）
(W)         水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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