(57)【要約】【課題】  結氷時などにかかる力を吸収し耐久性が高く、熱交換効率も高い熱交換パイプを備えた氷蓄熱装置を提供する。【解決手段】  断熱性を有する氷蓄熱タンク１２と、氷蓄熱タンク１２に不凍液を循環させる供給側と戻り側の一対の主配管３４，７２を有する。供給側と戻り側の主配管３４，７２に別々に接続された複数対のメインパイプ６２，７０と、各対のメインパイプ６２，７０間に亘りＵ字状に接続された複数の熱交換パイプ６８とを備える。熱交換パイプ６８は合成樹脂製で、内径が２．０〜３．５ｍｍ、各熱交換パイプ６８を流れる不凍液は、１ｍ当たり約４０〜１２０ｍｌ／分の流量である。熱交換パイプ６８に流れる不凍液の流れは、臨界レイノルズ数以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱性を有する氷蓄熱タンクと、前記氷蓄熱タンクに不凍液を循環させる供給側と戻り側の一対の主配管と、前記供給側と戻り側の主配管に別々に接続された複数対のメインパイプと、この各対のメインパイプ間に亘りＵ字状に接続された複数の熱交換パイプとを備え、前記熱交換パイプは合成樹脂製で、内径が２．０〜３．５ｍｍ、この各熱交換パイプを流れる不凍液は、１ｍ当たり約４０〜１２０ｍｌ／分の流量であり、前記熱交換パイプに流れる不凍液の流れは臨界レイノルズ数以下であることを特徴とする氷蓄熱装置。
【請求項２】
前記熱交換パイプは、１本当たりＵ字状の全長約１〜６ｍの長さであり、前記氷蓄熱タンクの高さが３ｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の氷蓄熱装置。
【請求項３】
前記熱交換パイプは、内径が２．３〜３．１ｍｍ、１本当たりＵ字状の全長約４〜６ｍの長さであることを特徴とする請求項１記載の氷蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、夜間電力を利用して冷却装置を運転し、水を氷に変換してその潜熱による冷却エネルギーを蓄積し、この氷を冷却源として利用可能にする氷蓄熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、いわゆる氷蓄熱装置は、例えば上方が開口した矩形の氷蓄熱タンクが設けられ、氷蓄熱タンクの上端開口部付近には、互いに平行な一対の辺の内側に沿って、供給側主配管と戻り側主配管が設けられている。供給側主配管は、固定された供給側の固定配管に接続されるとともに、不凍液を冷却する熱交換器の不凍液出口に接続され、戻り側主配管は、熱交換器の不凍液入口に接続されている。
【０００３】
さらに、供給側主配管には、接続用の透孔が所定間隔で設けられ、この透孔に供給側メインパイプが接続されている。そして、供給側メインパイプには、細い熱交換パイプが一体に複数本接続され、この熱交換パイプの先端は、氷蓄熱タンクの中を通過して戻り側メインパイプに接続されている。戻り側メインパイプは、さらに戻り側主配管に設けられた接続用の透孔に差し込まれている。
【特許文献１】特開２０００−９７４５５号公報
【特許文献２】特開２００１−２４１７０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術の場合、氷蓄熱タンク内の結氷による膨張や温度変化により、熱交換パイプにつながるメインパイプを介して主配管に大きな力が加わるものであった。特に、結氷による膨張で液面や氷が上方に盛り上がる際に、熱交換パイプとメインパイプや、主配管と固定配管とのつなぎ目に大きな応力が生じ、破損や液漏れが生じる危険があった。
【０００５】
そこで、結氷や融解時に作用する力に対して柔軟に対応し、曲げや応力に対して比較的強い樹脂製の熱交換パイプも用いられている。しかし、樹脂製の熱交換パイプは、強度上の問題等から比較的内径が太く肉厚の厚い樹脂パイプが用いられており、熱交換効率が低いという問題があった。熱交換パイプの内径と肉厚は、相関関係があり、管内を流れる流体の圧力により発生する円周応力に対して耐え得るものでなければならず、内径が太くなると肉厚も厚くなる。また、パイプを介して熱交換される不凍液は、パイプに接触した不凍液だけなので、パイプが太いとパイプ内を流れる不凍液に対してパイプ内壁に接触する不凍液の割合が相対的に低下し、この点からも熱交換効率が落ちるものであった。しかも、パイプに使われる樹脂は、熱伝導性に劣り、肉厚が厚くなればさらに熱交換効率が悪くなるものであった。
【０００６】
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、結氷時などにかかる力を吸収し耐久性が高く、熱交換効率も高い熱交換パイプを備えた氷蓄熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、断熱性を有する氷蓄熱タンクと、前記氷蓄熱タンクに不凍液を循環させる供給側と戻り側の一対の主配管と、前記供給側と戻り側の主配管に別々に接続された複数対のメインパイプと、この各対のメインパイプ間に亘りＵ字状に接続された複数の熱交換パイプとを備え、前記熱交換パイプは合成樹脂製で、内径が２．０〜３．５ｍｍ、この各熱交換パイプを流れる不凍液は、１本につき１ｍ当たり約４０〜１２０ｍｌ（ミリリットル）／分の流量であり、前記熱交換パイプに流れる不凍液の流れは臨界レイノルズ数以下である氷蓄熱装置である。
【０００８】
前記熱交換パイプは、１本当たりＵ字状の全長約１〜６ｍの長さであり、前記氷蓄熱タンクの高さが３ｍ以下である。さらに、前記熱交換パイプは、内径が２．３〜３．１ｍｍ、１本当たりＵ字状の全長約４〜６ｍの長さが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の氷蓄熱装置は、樹脂製の細い熱交換パイプを並列に多数配設してＵ字状に設けたので、スペース効率が良く、結氷時にかかる歪みを吸収し、パイプに大きな応力が発生せず、耐久性が高い。また、メインパイプに並列に細い樹脂製の熱交換パイプを設けているので、熱交換効率が高くしかも管路の圧力損失も小さい。従って、ポンプを小型化することができ、エネルギー効率も高いものにすることができる。さらに、細い熱交換パイプを用いているので、肉厚も薄くすることが可能となり、熱伝達がより容易となり、さらに熱交換の効率も上がる。従って、結氷も効率的に素早く成され、氷融解時には効率的に低温を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の実施形態について図面に基づいて説明する。図１〜図３はこの発明の一実施形態を示すもので、この実施形態の氷蓄熱装置１０は、四角筒状に形成され上方に開口した氷蓄熱タンク１２が設けられている。氷蓄熱タンク１２は、断熱性を有する構造である氷蓄熱タンク１２の一つの側面１２ａには、直角に隣接する他の側面１２ｂとの角部近傍で、氷蓄熱タンク１２の開口部付近に、後述する主配管３４を挿通する筒状の主配管取付口１４が外側に突出して形成されている。主配管取付口１４の先端には、ボルト用の透孔が設けられたつば部１６が外周面に突出して設けられている。主配管取付口１４の先端側には、中空のケース１８が取り付けられ、ケース１８のつば部２０と反対側に位置する端面１８ａには、主配管３４に連通する固定配管２２が固定されている。
【００１１】
氷蓄熱タンク１２の側面１２ａとほぼ平行に対面して位置する側面１２ｃには、側面１２ａの主配管取付口１４に対面する位置に、筒状の主配管保持口２６が外側に突出して形成されている。氷蓄熱タンク１２の主配管取付口１４と主配管保持口２６の間には、主配管３４が取り付けられている。主配管３４の一端部３４ａは主配管取付口１４に挿通され、主配管３４の他方の端部３４ｂは閉鎖部材４４により閉鎖されている。
【００１２】
さらに、主配管３４は、氷蓄熱タンク１２内での落下防止のため、氷蓄熱タンク１２内面に設けられた保持片４６に係止されている。保持片４６は、主配管３４に対して平行に位置する氷蓄熱タンク１２の側面１２ｂの内側に取り付けられ、下端部が主配管３４の下半分に沿う半円形状に湾曲されている。保持片４６は、主配管３４の両端部３４ａ，３４ｂ付近と中央部付近の３箇所に設けられている。
【００１３】
主配管３４の、氷蓄熱タンク１２の側面１２ｂとは反対側、即ち氷蓄熱タンク１２の内側に面した部分には、主配管３４の長手方向に沿って、後述するメインパイプ６２が挿通される透孔４８が所定間隔で複数個形成されている。透孔４８の直径は、メインパイプ６２の直径よりもわずかに大きく、また透孔４８同士の間隔も、メインパイプ６２の直径よりもわずかに大きく形成されている。透孔４８の内周面には、Ｏリング用の取付溝が一周して形成され、この取付溝にシール材であるＯリング５０が嵌合されて設けられている。
【００１４】
さらに、主配管３４の、氷蓄熱タンク１２の側面１２ｂと反対側、即ち透孔４８が設けられた部分には、長尺部材であるガイドプレート５２が取り付けられている。ガイドプレート５２は、主配管３４の透孔４８の挿通方向に対面する取付面５４と、取付面５４の下端部から取付面５４に対してほぼ直角に折り曲げられた保持面５６と、取付面５４の上端部から取付面５４に対してほぼ直角に折り曲げられた保持面５８が設けられ、断面形状がコの字形に形成されている。取付面５４には、主配管３４の透孔４８に連通する挿通口６０が設けられている。
【００１５】
主配管３４の透孔４８には、ガイドプレート５２の挿通口６０を通過してメインパイプ６２が差し込まれて連通されている。メインパイプ６２は合成樹脂製であり、主配管３４の透孔４８に挿通したときに、Ｏリング５０が移動可能に且つ水密に密着する直径である。メインパイプ６２の、主配管３４に挿通され解放された端部６２ａ付近には、主配管３４の挿通方向に互いに対向する一対の抜け止め用の透孔６４が設けられている。透孔６４には、メインパイプ６２を主配管３４の透孔４８に差し込んだ後に、メインパイプ６２の内側に、抜け止め用のピン部材６６が挿通され、抜け落ちを防止する。
【００１６】
メインパイプ６２には、使用状態で下側に面する部分に、長手方向に沿って等間隔に、細い熱交換パイプ６８が、メインパイプ６２に対してほぼ直角に下方に下垂して設けられている。熱交換パイプ６８は、氷蓄熱タンク１２の底部１２ｅ近傍でＵ字状に折り返され、隣設する同形のメインパイプ７０の下側に面する部分に連続している。ここで、メインパイプ７０の主配管３４側の端部７０ａは、主配管３４の透孔４８に挿通されず、先端部が閉鎖されて主配管３４に取り付けられたガイドプレート５２の取付面５４近傍に対面し、保持面５６に載せられて落下しないよう係止されている。
【００１７】
メインパイプ７０の反対側の解放された端部７０ｂは、氷蓄熱タンク１２の側面１２ｂと平行な側面１２ｄ近傍に設けられた主配管７２に連通して接続されている。主配管７２は、主配管３４と同形であり、氷蓄熱タンク１２の側面１２ａ，１２ｃに、主配管３４と逆向きに同様に取り付けられている。主配管７２には、連通する供給側または戻り側の固定配管７４が接続されている。また、主配管７２の他方の端部は、フランジ部材４１を介して閉鎖部材４４が取り付けられて閉鎖されている。
【００１８】
主配管７２の側面の、氷蓄熱タンク１２の側面１２ｄと反対側、即ち氷蓄熱タンク１２の内側に面した部分には、主配管７２の長手方向に沿ってメインパイプ７０が挿通される透孔７８が所定間隔で複数個形成されている。透孔７８の内周面には、シール材であるＯリング５０が一周して設けられている。
【００１９】
主配管７２の、氷蓄熱タンク１２の側面１２ｄと反対側、つまり透孔７８が設けられた部分には、ガイドプレート５２と同形のガイドプレート８０が取り付けられている。ガイドプレート８０は、取付面８２と保持面８４，８６がコの字形に設けられ、取付面８２には主配管７２の透孔７８に連通する挿通口８８が設けられている。
【００２０】
メインパイプ７０の端部７０ｂは、主配管７２の透孔７８に、ガイドプレート８０の挿通口８８を通過して差し込まれて連通されている。メインパイプ７０の端部７０ｂ付近には、小孔９０が形成され、小孔９０にはピン部材６６が貫通して挿通され、抜け落ちを防止している。
【００２１】
また、メインパイプ７０に隣設されたメインパイプ６２の端部６２ｂは、主配管７２の透孔７８に挿通されず、先端部が閉鎖されてガイドプレート８０の取付面８２近傍に位置し、保持面８４に載せられて落下しないように係止されている。従って、各熱交換パイプ６８は、交互に位置したメインパイプ６２，７０間で、Ｕ字状に接続され、互いに一定のピッチで配置されている。
【００２２】
熱交換パイプ６８は、ＰＰ（ポリプロピレン）等の合成樹脂製であり、内径が２．０〜３．５ｍｍ、好ましくは２．３〜３．１ｍｍであり、肉厚はできる限り薄い方が熱抵抗が少なく好ましいが、強度上必要な厚さであればよく、管の内径に合わせて肉厚も設定される。また、氷蓄熱タンク１２の設置上の便宜や容易さから、氷蓄熱タンク１２の大きさが制限され、それにより熱交換パイプ６８の長さは、Ｕ字状の全長で１本当たり１〜６ｍ、好ましくは４〜６ｍ程度の長さである。これにより、氷蓄熱タンク１２の高さを約３ｍ以内に収めることが好ましく、設置上も好都合である。
【００２３】
次に、この実施形態の氷蓄熱装置１０の使用方法について説明する。固定配管２２，７４は、例えば固定配管２２を、図示しない供給側配管を介して図示しない熱交換器の不凍液出口に接続すると、主配管３４とこの主配管３４に接続されるメインパイプ６２が不凍液の供給側となる。このとき、主配管７２とそれに接続されるメインパイプ７０が不凍液の戻り側となり、固定配管７４は図示しない熱交換器の不凍液入口に接続される。
【００２４】
次に、主配管３４，７２と固定配管２２，７４を接続した状態で、氷蓄熱タンク１２に水を充填し、熱交換器によって−数℃〜−１０数℃程度に設定された不凍液を、固定配管２２と主配管３４、メインパイプ６２を通過して熱交換パイプ６８内に流す。熱交換パイプ６８を流れた不凍液は、メインパイプ７０と主配管７２、固定配管７４を通過して熱交換器の不凍液入口へ戻り、再度所定温度に冷却される。このように不凍液を循環させることにより、氷蓄熱タンク１２内の水が冷却され凍結する。また、この氷蓄熱タンク１２内の氷を冷熱源として利用する場合は、同様に不凍液を循環させて図示しない熱交換器により不凍液に熱を吸収させ、氷蓄熱タンク１２内の氷により不凍液を冷却し、再び熱交換器へ送る。
【００２５】
次に、この実施形態における熱交換パイプ６８の条件について説明する。まず、熱交換パイプの内面での不凍液との熱伝達率は、以下のSieterの式で表される。
【００２６】
ｈｉ・Ｄ／ｋ＝１．８６（Ｄ・ｕ・ρ／μ）0.33（Ｃｐ・μ／ｋ）0.33（Ｄ／Ｌ）0.33
上記式で、Ｃｐは比熱、Ｄは円管の内径、ｈｉは管内の熱伝達率、ｋは熱伝導率、ｕは不凍液の流速、μは不凍液の粘度、Ｌは管の長さである。
【００２７】
これによれば、不凍液の流量がある程度多くなると、即ち内径が一定の場合流速がある程度大きくなると、単位面積当たりの熱交換パイプ表面からの放熱量はほとんど増加しない。従って、同じ大きさの氷蓄熱タンクの場合、細い熱交換パイプを多数収納する方が、熱交換パイプ表面積を大きくすることができ、より多くの熱交換を可能とし、効率の良いものとすることができる。
【００２８】
さらに、熱交換パイプ６８を流れる不凍液の流量は、ポンプの駆動効率と熱交換効率により設定される。熱交換パイプ６８の内径が２．０〜３．５ｍｍ、好ましくは２．３〜３．１ｍｍの場合、１本につき１ｍ当たり約４０〜１２０ｍｌ／分程度が好ましい。これは、流量が毎分４０ｍｌ／ｍを下回ると結氷時及び氷融解時の効率が著しく悪くなる。また、流量が毎分１２０ｍｌ／ｍを上回ると、これ以上流量を上げても管路の圧力損失が大きく、氷蓄熱タンク１２の大きさや蓄熱容量と比較して、相対的により大きなポンプを必要とし、かえってエネルギー効率が落ち、熱交換効率も上がらないからである。
【００２９】
ここで、交換パイプ６８の内径が２．０〜３．５ｍｍとしたのは、内径が２．０ｍｍ未満では、細すぎて必要な流量を得ることができず、また内径の割に肉厚が厚いものとなり、かえって効率の悪いものとなる。また、内径が３．５ｍｍを超えると、熱交換パイプ内を流れる不凍液に対してパイプ内壁に接触する不凍液の割合が相対的に低下し、熱交換効率が落ちるからであり、さらに、内径が太くなると肉厚も増加しこの点からも熱伝達が悪くなるからである。
【００３０】
また、氷蓄熱タンク１２が大きくなると、熱交換パイプ６８の長さも長いものとしなければならないが、その場合、必要な冷却能力を得るためには、不凍液の流量を長さに比例して増やさなければならない。しかし、以下の理由により、熱交換パイプ６８内を流れる不凍液の流れは、円管での臨界レイノルズ数以下の層流、例えば、レイノルズ数が約２３００以下とする。これは、円管内の流れが臨界レイノルズ数を上回り、乱流になる領域では、熱交換効率がほとんど上がらないにもかかわらず、熱交換パイプでの圧力損失が大きく、ポンプの出力が大きなものを必要とし、エネルギー効率が悪くなるからである。
【００３１】
この実施形態の氷蓄熱装置１０によれば、結氷による膨張や温度変化に伴い力が加えられ歪みが生じても、熱交換パイプ６８とメインパイプ６２，７０は、接続部に大きな応力がかからず、破損や漏れが生じない。また、メインパイプ６２，７０に並列に細い樹脂製の熱交換パイプ６８を多数設けているので、熱交換効率が高く、しかも管路の圧力損失も小さい。従って、ポンプを小型化することができ、エネルギー効率も高いものにすることができる。さらに、細い熱交換パイプ６８を用いているので、熱交換パイプ６８の肉厚が薄く、製氷が早く、氷融解時には効率的に低温を得ることができる。また、主配管３４，７２とメインパイプ６２，７０の接続は簡単な構造であり、短時間で組立可能である。
【実施例１】
【００３２】
以下、この発明の蓄熱装置の一実施例について、実験結果を述べる。ここで用いた蓄熱槽は、内寸が３００×３００×５００ｍｍ、水量が４０ｋｇ、中に入れた熱交換パイプは内径２．３ｍｍ、外径３．４ｍｍ、長さ１ｍのものをＵ字状に曲げて配置し、前記実施形態のようにして、９８本の熱交換パイプを２０ｍｍピッチで配置したユニットを一体として組み合わせた。熱交換パイプに通す不凍液は、−５℃と−１０℃のもので実験を行った。
【００３３】
熱交換パイプに供給される不凍液の流量を変えて、蓄熱槽内の氷の生成量と時間の関係を、図４，図５に示す。９８本の上記各熱交換パイプに流す不凍液の流量は、４リットル／分、８リットル／分、１２リットル／分、１６リットル／分の４種類について、不凍液が−５℃と−１０℃のもので実験を行った。
【００３４】
これにより、不凍液流量と氷の生成量は水の７５％程度凍るまでは直線的に氷の量が増加するが、それ以上は頭打ちになってくる。これは、熱交換パイプの周囲に氷が生成されていくので、隣り合う熱交換パイプの氷同士が接するまでは、氷の生成による熱抵抗の増大が少なく、効率的に周辺に氷が形成されていくからである。そして、７５％以上凍ると、隣り合う熱交換パイプの氷同士が接続し、水と氷の接する面積が急激に減少するからである。
【００３５】
また、実験結果より、流量と氷の生成割合は、流量が多いほど効率的であるが、熱交換パイプ１本につき１ｍ当たり約１２０ｍｌ／分を超えると、流量の増加の割には氷の生成効率は増えない、即ち熱交換効率は上がらないものであった。また、１本につき１ｍ当たり約４０ｍｌ／分より少ないと、氷の生成効率が悪く時間がかかるものであり、実用的ではないものである。
【００３６】
これにより、この熱交換パイプ１本当たりの流量は、熱交換パイプ１ｍ当たりほぼ４０〜１２０ｍｌ／分が好ましいことが分かった。また、パイプの内径については、細い方が表面積が熱交換には適しているが、循環させるポンプの能力やエネルギー効率の問題で、熱交換パイプ１本につき１ｍ当たり約４０ｍｌ／分よりも小さい場合、エネルギー効率や熱交換効率が悪いものであった。
【００３７】
このことから、熱交換パイプの内径は、２．０〜３．５ｍｍ、より好ましくは２．３〜３．１ｍｍが良く、各熱交換パイプ１本につき１ｍ当たり約４０〜１２０ｍｌ／分程度の流量が好ましいと言える。
【００３８】
これらの実験とSieterの式より、細管で製氷したときの各熱抵抗の割合を図６に示す。樹脂製細管では一般に最も熱抵抗か大きい部分は樹脂の管壁を通過するときの熱抵抗である。従って、管壁を薄くすることができる細管がこの熱交換パイプには適しており、差ｒない、内径を細くすることにより流速が上がり、管の内面熱抵抗についても若干下げることができる。
【００３９】
また、１ｍの熱交換パイプ１本に流す不凍液の流量を４０ｍｌ／分、１２０ｍｌ／分、２４０ｍｌ／分の３種類について、熱交換パイプの内径２．３ｍｍ、２．７ｍｍ、２．９ｍｍ、３．１ｍｍ、３．５ｍｍ、７．０ｍｍについて、レイノルズ数と、水槽内での放熱量を求めた。その結果、エチレングリコールを不凍液として用いた場合、レイノルズ数は、臨界レイノルズ数よりも大幅に小さい値であった。
【００４０】
熱交換パイプの内面での不凍液との熱伝達率は、上記Sieterの式により、不凍液の流量が４０ｍｌ／分と１２０ｍｌ／分でも、１ｍ当たりの熱交換パイプ表面からの放熱量はほとんど変わらないものであり、放熱量の実験値ともほぼ一致した。また、不凍液の流量が２４０ｍｌ／分としても、流量を増やすために必要なポンプのエネルギー増加に対して、熱交換パイプによる放熱量の増加は僅かであり、かえって効率が悪いことが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の第一実施形態の氷蓄熱装置の部分破断平面図である。
【図２】この実施形態の氷蓄熱装置の縦断面図である。
【図３】この実施形態の氷蓄熱装置の部分拡大縦断面図である。
【図４】この発明の一実施例の氷蓄熱装置による不凍液温度−５℃の場合の、氷の生成量の時間変化を各流量毎に示すグラフである。
【図５】この発明の一実施例の氷蓄熱装置による不凍液温度−１０℃の場合の、氷の生成量の時間変化を各流量毎に示すグラフである。
【図６】この発明の一実施例の氷蓄熱装置の熱交換パイプである細管で製氷したときの、各熱抵抗の割合と氷生成厚さの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０  氷蓄熱装置
１２  氷蓄熱タンク
２２，７４  固定配管
３４，７２  主配管
６２，７０  メインパイプ
６８  熱交換パイプ
【図１】
2006177643.tif 000003
【図２】
2006177643.tif 000004
【図３】
2006177643.tif 000005
【図４】
2006177643.tif 000006
【図５】
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【図６】
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