(57)【要約】  【課題】  製氷速度を向上させ、氷蓄熱を利用した冷房システムの効率を向上させる。  【解決手段】  冷媒７が流れる冷媒管６と、冷媒管６と接する蓄熱槽２と、蓄熱槽２内にあって、冷媒７により冷やされて氷となる水３とを有し、水３の中に炭素繊維４を含む製氷装置１とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が流れる冷却部と、上記冷却部と接する蓄熱槽と、上記蓄熱槽内にあって、上記冷媒により冷やされて氷となる水とを有し、水の中に炭素繊維を含むことを特徴とする製氷装置。
【請求項２】
前記炭素繊維は、繊維径１ミクロン以下のカーボンナノチューブであることを特徴とする製氷装置。
【請求項３】
前記炭素繊維の混合率は、前記水と前記炭素繊維との混合物の総重量に対して０．１重量％以上１５重量％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の製氷装置。
【請求項４】
冷媒が流れる冷却部と接する蓄熱槽内の水に炭素繊維を混合しておき、その冷媒によって、炭素繊維を混合した水を氷らせることを特徴とする製氷方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、夜間電力を利用して製氷し、昼間にその氷を融解して冷房を行うための製氷装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一日単位の電力需要をみると、昼間に需要が高く、夜間に需要が低い。電力会社は、昼間の電力需要のピークに合わせて発電設備を設置するので、設備コスト等が大きくなる。また、原子力発電および火力発電では負荷の変動は好ましくない。したがって、夜間には大幅に電力が余る。かかる事情から、電力会社は、夜間に余った電力を割安料金で提供し、昼間の電力需要を抑えることによって、新たな発電所を建設することなく、電力需要に応えるようにしている。
【０００３】
夜間の電力を有効利用して冷房等を行う方法の一つに、氷蓄熱システムがある。このシステムは、夜間の安い電力を利用して製氷し、昼間、氷を利用して、家庭あるいはオフイスの冷房等を行うというものである。具体的には、次のような方法で冷房を行う。夜間電力を利用して、冷凍機にて冷媒管内を流れる冷媒を冷やす。当該冷媒は、水を入れた蓄熱槽内の冷媒管を流れる。これによって、蓄熱槽内の水が冷えて、氷が生成される。水から熱を吸収した冷媒は、冷凍機に戻り、また冷やされる。これを繰り返すうちに、蓄熱槽内の水は氷へと変わっていく。一方、昼間は、わずかの電力を使って氷を利用して冷水をつくる。冷水は、空調機に送られて、冷房に供される。このような氷蓄熱システムに関する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３０１４６７号公報（特許請求の範囲、要約書等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述のような従来の氷蓄熱システムには、次のような問題がある。それは、夜間電力を利用して製氷する際の氷生成速度が小さいということである。氷は、冷媒が流れる冷媒管の周囲から徐々に外方向に向かって成長する。しかし、冷媒管の周囲に製造される氷の厚さが厚くなってくると、氷の成長速度が徐々に低下する。したがって、所定量の氷を生成するためにはある程度の製氷時間が必要であり、冷凍機運転時間の短縮にはある程度の限界がある。冷凍機運転時間が長いと、ランニングコストが高くなり、安価な夜間電力を使用するメリットが小さくなる。
【０００５】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、製氷速度を向上させ、氷蓄熱を利用した冷房システムの効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、冷媒が流れる冷却部と、冷却部と接する蓄熱槽と、蓄熱槽内にあって、冷媒により冷やされて氷となる水とを有し、水の中に炭素繊維を含む製氷装置としている。このように、炭素繊維を混合した水に、冷媒を流す冷却部を接すると、炭素繊維の高熱伝導性が効果を発揮して、製氷効率が著しく向上する。したがって、冷凍機の運転時間の短縮によりランニングコストの低減を図ることができる。
【０００７】
また、別の本発明は、先の発明における炭素繊維に、繊維径１ミクロン以下のカーボンナノチューブを用いる製氷装置としている。微細なカーボンナノチューブを採用することによって、製氷効率をより向上させることができる。
【０００８】
ここで、カーボンナノチューブは、グラフェンという炭素六角網面がナノレベルの直径を持つ円筒に丸めた中空状のチューブであり、一枚のグラフェンからなる単層カーボンナノチューブ（Single-Walled Carbon Nano Tube: SWCNT）と、複数枚のグラフェンを丸めた径の異なる筒を入れ子状の構造とした多層カーボンナノチューブ（Multi-Walled Carbon Nano Tube: MWCNT）に大別される。本発明では、ＳＷＣＮＴおよびＭＷＣＮＴのいずれを使用しても良い。さらには、両方の混合物を使用しても良い。また、カーボンナノチューブは、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ合成法、化学気相析出（Chemical Vapor Deposition: CVD）法等のいずれの製法により製造されたものでも採用可能である。ただし、量産に有利なＣＶＤ法により製造されたカーボンナノチューブの方が好ましい。
【０００９】
また、別の本発明は、先の発明における炭素繊維の混合率を、水と炭素繊維との混合物の総重量に対して０．１〜１５重量％とする製氷装置としている。このため、より高い製氷効率を得ることが出来る。炭素繊維の混合率を０．１重量％以上とすると、炭素繊維の高熱伝導率を利用して製氷効率を高めることができる。一方、炭素繊維の混合率を１５重量％以下とすると、水の比熱に対して約５分の１の比熱を有する炭素繊維を混合しても、蓄熱量は大きく低下しない。かかる理由から、炭素繊維の混合率を０．１〜１５重量％の範囲とするのが、より好ましい。
【００１０】
また、本発明は、冷媒が流れる冷却部と接する蓄熱槽内の水に炭素繊維を混合しておき、その冷媒によって、炭素繊維を混合した水を氷らせる製氷方法としている。このように、炭素繊維を混合した水に、冷媒を流す冷却部を接触させると、炭素繊維の高熱伝導性が効果を発揮して、製氷効率が著しく向上する。したがって、冷凍機の運転時間の短縮によりランニングコストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、製氷速度を向上させ、氷蓄熱を利用した冷房システムの効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明に係る製氷装置および製氷方法の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、氷蓄熱を利用した製氷装置１の概略構成図である。
【００１４】
この製氷装置１は、蓄熱槽２を備えている。蓄熱槽２には、水３と炭素繊維の一例であるカーボンナノチューブ（Carbon Nano Tube: CNT）４との混合水５が入っている。また、蓄熱槽２には、混合水５内を通るように、冷却部の一形態である冷媒管６が配置されている。冷媒管６は、冷媒（ここでは、ブライン液）７が冷凍機８を介して管内を循環できるように、蓄熱槽２に配置されている。ブライン液７は、例えば、塩化物の水溶液等である。ブライン液７の送液は、冷媒管６の経路中に備えられたブラインポンプ９で行われる。なお、この実施の形態では、製氷装置１は、蓄熱槽２、混合水５、冷媒管６、冷媒７、冷凍機８およびブラインポンプ９を含む。
【００１５】
また、図１に示すように、冷凍機８の上流側および下流側には、それぞれ三方バルブ１０および三方バルブ１１が配置されている。三方バルブ１０と三方バルブ１１との間には、冷媒管６と並列経路となるように、冷媒管１２が接続されている。冷媒管１２の一部は、熱交換器１３内の水３の中に配置されている。三方バルブ１０と三方バルブ１１の開閉ルートを切り替えることによって、矢印Ａで示すように、ブライン液７を冷媒管６のみを通したり、矢印Ｂで示すように、ブライン液７を冷媒管６から冷媒管１２に通し、再度、冷媒管６に戻すことができる。また、熱交換器１３の外側には、空調機１４が配置されている。熱交換器１３と空調機１４とは、冷水ポンプ１５を介して配管１６で接続されている。熱交換器１３内の水３は、矢印Ｃで示すように、冷水ポンプ１５によって熱交換器１３と空調機１４との間を循環可能となっている。
【００１６】
上記の構造により、夜間の安価な電力を用いて冷凍機８を駆動してブライン液７を冷却しながら、ブラインポンプ９を駆動すると、冷えたブライン液７が冷媒管６を介して蓄熱槽２内の混合水５と接触する。この結果、混合水５からブライン液７へと熱の移動が起こり、混合水５は冷えて氷となる。ここでは、混合水５からつくった氷を、「氷５’」とする。蓄熱槽２内で熱をもらったブライン液７は再び、冷凍機８に戻され冷却される。したがって、矢印Ａで示すようなブライン液７の循環によって、蓄熱槽２内の混合水５は、徐々に氷５’となっていく。
【００１７】
一方、昼間は、三方バルブ１０および三方バルブ１１を切り替えて、ブライン液７を冷媒管１２に通す経路を用いる。冷凍機８を駆動しなくても、夜間につくった氷５’によってブライン液７を冷やすことが出来るため、冷媒管１２を介して熱交換器１３内の水３を冷やすことが出来る。さらに、冷水ポンプ１５を駆動して熱交換器１３と空調機１４との間で水３を循環させることにより、空調機１４を用いて家庭あるいはオフィスの冷房等を行うことができる。
【００１８】
図２は、図１に示す製氷装置１中の冷媒管６とその一部を拡大して示す図（図２のＸで示す部分）である。
【００１９】
図１に示す冷凍機８によって冷媒管６内を流れるブライン液（図２の矢印Ａ方向に流れている）７が冷却されると、冷媒管６の周辺にある混合水５が冷媒管６の管表面からだんだん氷５’へと変わってくる。図２では、拡大図に示すように、冷媒管６の表面に厚さｔの氷５’が生成している。ＣＮＴ４を混合した混合水５は、ＣＮＴ４を混合していない普通の水３と比較して、氷５’へと変わる速度が大きい。したがって、製氷時間が短くて済み、その結果、冷凍機８の運転時間を短く省エネルギーとなり、ランニングコストの低減、さらには排出される二酸化炭素の削減にも寄与することができる。さらには、水３のみを使用した場合と比べて、冷媒管６の周囲につく凍結層が厚くなるので、冷媒管６の間隔を大きくすることができ、その結果、冷媒管６の本数を減らし、製造コストの低減を図ることができる。
【００２０】
混合水５中のＣＮＴ４の好適な混合率は、０．１〜１５重量％である。０．１重量％以上では、通常の水３に対する氷生成速度の優位な差が認められる。炭素繊維の混合率を１５重量％以下とすると、水の比熱に対して約５分の１の比熱を有する炭素繊維を混合しても、蓄熱量は大きく低下しない。かかる理由から、炭素繊維の混合率を０．１〜１５重量％の範囲とするのが好ましい。
【００２１】
特に、ＣＮＴ４の混合率が３〜１０重量％の範囲内とすると、より好ましい。ＣＮＴ４の混合率が高くなると、氷５’の熱伝導性が向上し、凍結速度が大きくなる。このため、氷５’を生成する際に、ＣＮＴ４を排斥しにくくなり、氷生成速度を高く維持できる。このように、蓄熱量の低下を抑え、かつ氷５’生成時のＣＮＴ４の排斥を抑えることを考慮すると、ＣＮＴ４の混合率を３〜１０重量％とするのが好ましい。
【実施例】
【００２２】
次に、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００２３】
（１）実験装置
図３は、本実施例において使用した製氷装置２０の構造を示す図である。
【００２４】
この製氷装置２０は、氷をつくる本体部２１と、その本体部２１の下にあって本体部２１を冷却する冷却部２２とから、主に構成されている。本体部２１の内部には、蓄熱槽として、２本の冷却塔２３，２４が配置されている。冷却塔２３の中には、水３のみが入れられている。一方、冷却塔２４の中には、水３とＣＮＴ４との混合水５が入れられている。ＣＮＴ４の混合量を変化させることにより、ＣＮＴ４の混合率の異なる混合水５を用意することができる。冷却塔２３および冷却塔２４には、本体部２１から上方に突出して、それぞれ管２５および管２６が接続されている。管２５，２６を設けているのは、氷３’，５’が生成しても、上方の水３および混合水５が溢れないようにするためである。なお、ここでは、水３のみからつくった氷を「氷３’」とする。
【００２５】
また、冷却部２２には、ブライン液２７を供給および排出する構造を有している。冷却部２２と冷却塔２３，２４とは、銅製の冷却板２８で分離されている。冷却部２２には、２本の冷媒供給管２９，２９と、２本の冷媒排出管３０，３０が接続されている。このため、矢印Ａに示すようにブライン液２７を冷媒供給管２９，２９から冷却部２２内部に供給すると、矢印Ｂに示すようにブライン液２７を冷媒排出管３０，３０から排出することができる。したがって、製氷装置２０にポンプ（不図示）を接続することにより、ブライン液２７を冷却部２２内に循環させることができる。また、ブライン液２７の温度を変えることにより、冷却塔２３，２４内の水３および混合水５の温度を変えることができる。
【００２６】
（２）実験条件
混合水５中のＣＮＴ４には、昭和電工株式会社製のカーボンファイバ（Vapor Growth Carbon Fiber: VGCF）を用いた。ＶＧＣＦの繊維径は１５０ｎｍであり、繊維長は１０〜２０ミクロンである。また、ＶＧＣＦの混合率は、混合水５の全重量に対して５重量％とした。また、混合水５との比較のために、ＶＧＣＦを混合していない通常の水３も用いた。ブライン液２７の温度は、３種類に変化させ、冷却板２８を、−１０、−１５および−２２℃の３種類の温度まで冷やして、各温度条件下における氷３’および氷５’の生成速度を比較した。具体的には、図３で示す氷３’および氷５’のそれぞれの高さＬ１および高さＬ２で比較した。
【００２７】
（３）実験結果および考察
図４は、３種類の冷却板２８の温度条件下において、水３から氷３’をつくる速度と混合水５から氷５’をつくる速度とを比較して示すグラフである。図４中、「水の氷」とは、水３のみから氷３’をつくった時のプロットを指し、「ＶＧＣＦ氷」とは、混合水５から氷５’をつくった時のプロットを指す。
【００２８】
このグラフから明らかなように、各温度条件において、混合水５を用いると、水３のみを用いた場合と比べて氷生成速度が大きくなることがわかった。また、冷却板２８の温度が高い程、混合水５と水３との間の氷生成速度の差が大きくなることがわかった。冷却板２８の温度が−１０℃の条件では、５時間後の氷３’および氷５’の高さが、それぞれ４６ｍｍおよび５２ｍｍとなった。すなわち、混合水５を使用した方が、水３を使用した場合と比べて、１０％以上も氷成長速度が大きい結果が得られた。
【００２９】
このような混合水５を用いると氷生成速度が大きくなる結果から、ＶＧＣＦに代表される炭素繊維が高い熱伝導性を持つために、冷却板２８の表面近傍の水３を冷却する速度を大きくすることができ、氷５’の生成速度が大きくなったのではないかと考えられる。また、冷却板２８の温度が高い程、混合水５と水３との間の氷生成速度の差が大きくなるのは、次のような理由からではないかと推測される。冷却温度が高いほど、凍結高さが小さくなる。ＶＧＣＦは、凍結高さが低い部分に多く含まれる傾向がある。すなわち、凍結初期にＶＧＣＦが大量に含まれる氷５’が生成しやすい。このため、冷却温度が高いほど、凍結高さの低い部分で氷生成速度の差も大きくなり、氷５’の高さと氷３’の高さとの間に大きな差が生じたのではないかと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の製氷装置および製氷方法は、氷蓄熱システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態にかかる製氷装置および製氷方法を説明するための図である。
【図２】図１に示す製氷装置の冷媒管およびその一部を拡大して示す図である。
【図３】本発明の実施例に用いた製氷装置の構造を示す図である。
【図４】図３の製氷装置を用いて得られた実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１  製氷装置
２  蓄熱槽
３  水
３’氷
４  ＣＮＴ（炭素繊維の一形態）
６  冷媒管（冷却部のの一形態）
７  ブライン液（冷媒の一形態）
２０  製氷装置
２２  冷却部
２３  冷却塔（蓄熱槽の一形態）
２４  冷却塔（蓄熱槽の一形態）
２７  ブライン液（冷媒の一形態）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006258334.tif 000006