(57)【要約】【課題】ブリッジングや水封を生じにくい冷却コイルユニットを備えた氷蓄熱槽の提供を目的とする。【解決手段】所定の間隔で配列された複数の冷媒管路２２が同一平面上を往復して連通する冷却コイル２１を所定の間隔で複数積層してなる冷却コイルユニット２０を内部に配設し、該冷却コイルユニット２０内を循環する冷媒が蓄熱媒体Ｃから吸熱して冷却する氷蓄熱槽１０において、冷却コイルユニット２０は、積層方向に隣接する冷媒管路２２が互いに交差する部分を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隔で配列された複数の冷媒管路が同一平面上を往復して連通する冷却コイルを所定の間隔で複数積層してなる冷却コイルユニットを内部に配設し、該冷却コイルユニット内を循環する冷媒が蓄熱媒体から吸熱して冷却する氷蓄熱槽において、
前記冷却コイルユニットは、積層方向に隣接する冷媒管路が互いに交差する部分を備えていることを特徴とする氷蓄熱槽。
【請求項２】
前記冷却コイルの平面視が略Ｍ字状であることを特徴とする請求項１記載の氷蓄熱槽。
【請求項３】
前記冷却コイルの平面視が略Ｎ字状であることを特徴とする請求項１記載の氷蓄熱槽。
【請求項４】
所定の間隔で配列された複数の冷媒管路が同一平面上を往復して連通する冷却コイルを所定の間隔で複数積層してなる冷却コイルユニットを内部に配設し、該冷却コイルユニット内を循環する冷媒が蓄熱媒体から吸熱して冷却する氷蓄熱槽において、
前記冷却コイルは、複数の直管部と、隣接する当該直管部を接続する複数の屈曲管部とからなり、隣接する前記直管部の間隔が前記屈曲管部から離れるにしたがって増加するように形成されることを特徴とする氷蓄熱槽。
【請求項５】
前記直管部が平面視で交差するように前記冷却コイルが積層されることを特徴とする請求項４記載の氷蓄熱槽。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯蔵した蓄熱媒体を冷却して冷熱を蓄熱することができる氷蓄熱槽に関する。
【０００２】
【従来の技術】
貯槽内に貯蔵した水（液体）等の蓄熱媒体を冷却し、氷（固体）にして冷熱を貯蔵する氷蓄熱槽が知られている。このような氷蓄熱槽は、蓄熱媒体の状態変化に伴う潜熱を有効利用する装置に使用され、たとえば割安な夜間電力を有効利用して冷熱を蓄熱し、この冷熱を昼間の冷房運転時に利用するように構成された氷蓄熱式空調装置等に使用されている。
【０００３】
従来の氷蓄熱槽は、冷却コイルユニットを備えている貯槽内に蓄熱媒体を貯蔵し、冷却コイルユニットの冷媒管路内を流れる冷媒が吸熱することにより液体の蓄熱媒体を固体の状態として冷熱を蓄える。なお、この場合の蓄熱媒体は、たとえば６０％程度の適切な氷充てん率（Ｉｃｅ  Ｐａｃｋｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ；ＩＰＦ）まで冷却され、液体及び固体が混在する状態で冷熱を蓄える。
また、氷蓄熱槽内に蓄えた冷熱は、液体の蓄熱媒体がポンプ等の手段により蓄熱媒体循環系を循環し、同循環系に設置された熱交換器や冷熱出力装置等において冷熱が消費される。
【０００４】
従来の冷却コイルユニットは、同一平面上を往復するように連通させた冷却コイルが所定の間隔で複数積層された構成とされる。また、各冷却コイルは、所定の間隔で平行に配列された複数の冷媒管路が略Ｕ字状に折曲成形され、同一平面上を往復するように連結されている。
複数の冷却コイルが積層された冷却コイルユニットは、その積層方向においても隣接する冷媒管路が一致するように重なって、あるいは千鳥状にずれて配置されている。（たとえば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１８５２５０号公報（第３−４頁、図１−２及び図１６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の蓄熱槽においては、図５に示すように、等間隔で平行に配列された冷媒管路１の端部が略Ｕ字状に折曲成形され、連通する１本の冷却コイル１Ａを形成している。このような冷却コイル１Ａにおいては、設計上隣接する冷媒管路１の間隔ＬがＵ字部１ａを除いて一定とされる。しかし、実際の冷却コイル１Ａにおいては、製造上の問題から間隔Ｌにはばらつきがある。
しかも、冷却ユニット１Ａを積層してなる冷却コイルユニットの冷却能力を得るため、そして蓄熱槽を小型化するため、通常は細径の銅管が密に配置されているので、冷媒管路１の間隔Ｌは最小に設定される。また、コイルユニットを積層する方向においても、積層方向で隣接する冷媒管路１の間隔Ｌにはばらつきがあり、しかもその間隔Ｌは最小に設定される。
【０００７】
このため、特に間隔Ｌがばらついて小さくなった部分においては、図６に示すように、隣接する冷媒管路１，１間に跨る大きな氷塊２を形成する現象（以下、「ブリッジング」と呼ぶ）が発生しやすくなる。このようなブリッジングが発生した領域では、冷却コイル１Ａ内を流れる冷媒とこれから冷却する液体の蓄熱媒体（水）との間に通常（ブリッジングが生じていない領域）より厚い固体の蓄熱媒体（氷）が存在することになるため、部分的な伝熱効率の低下により冷却コイルユニット全体の冷却能力が低下するという問題が生じてくる。
なお、冷却能力の低下は、冷媒を循環させる圧縮機の負荷を増加させるので、圧縮機の駆動に必要な消費電力が増加して装置全体のＣＯＰを悪化させるため好ましくない。
【０００８】
また、上述したブリッジングが進行すると、氷塊２の内部に蓄熱媒体の液体３が封入される現象（以下、「水封」と呼ぶ）を生じる。このため、冷却の進行により水封された液体３が氷結するようになると、その体積膨張により冷媒管路１を圧迫する大きな応力が発生するという問題が生じてくる。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ブリッジングや水封を生じにくい冷却コイルユニットを備えた氷蓄熱槽の提供を目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の氷蓄熱槽は、所定の間隔で配列された複数の冷媒管路が同一平面上を往復して連通する冷却コイルを所定の間隔で複数積層してなる冷却コイルユニットを内部に配設し、該冷却コイルユニット内を循環する冷媒が蓄熱媒体から吸熱して冷却する氷蓄熱槽において、前記冷却コイルユニットは、積層方向に隣接する冷媒管路が互いに交差する部分を備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
このような氷蓄熱槽によれば、冷却コイルユニットは、積層方向に隣接する冷媒管路が互いに交差する部分を備えているので、冷媒配管が交差する部分およびその周辺以外では全周方向において隣接する冷媒配管の間隔が広がるため、ブリッジングを生じにくくなる。
【００１２】
請求項１に記載の氷蓄熱槽においては、前記冷却コイルの平面視が略Ｍ字状であることが好ましく、これにより、積層方向に隣接する冷却コイルの位相をずらして積層すれば、積層方向において隣接する冷媒管路を容易に交差させて配置することができる。
また、請求項１記載の氷蓄熱槽においては、前記冷却コイルの平面視が略Ｎ字状であることが好ましく、これにより、積層方向に隣接する冷却コイルの向き（向き）を反対にして積層すれば、積層方向において隣接する冷媒管路の少なくとも一部を容易に交差させて配置することができる。
【００１３】
請求項４に記載の氷蓄熱槽は、所定の間隔で配列された複数の冷媒管路が同一平面上を往復して連通する冷却コイルを所定の間隔で複数積層してなる冷却コイルユニットを内部に配設し、該冷却コイルユニット内を循環する冷媒が蓄熱媒体から吸熱して冷却する氷蓄熱槽において、前記冷却コイルは、複数の直管部と、隣接する当該直管部を接続する複数の屈曲管部とからなり、隣接する前記直管部の間隔が前記屈曲管部から離れるにしたがって増加するように形成されることを特徴とするものである。
【００１４】
このような氷蓄熱槽によれば、冷却コイルは隣接する前記直管部の間隔が前記屈曲管部から離れるにしたがって増加するように形成されるので、ブリッジングによる水封が生じにくくなる。
【００１５】
また、請求項４においては、前記直管部が平面視で交差するように前記冷却コイルが積層されることが好ましく、これにより、積層方向において隣接する冷却コイルにおけるブリッジングを生じにくくできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る氷蓄熱槽の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は本発明による氷蓄熱槽の使用例を示す系統図である。氷蓄熱槽１０は、蓄熱媒体Ｃを貯蔵する容器本体１１の内部に、冷却コイルユニット２０が配設された構成とされる。
蓄熱媒体Ｃとしては、身近で簡単に入手できる水の他、塩化カルシウム、パラフィン、エチレングリコールなどのブラインを使用することができる。
【００１７】
容器本体１１は、底部近傍の側面に蓄熱媒体Ｃの流出管１２が連結され、蓄熱媒体ポンプ１３の運転により液体の蓄熱媒体Ｃを循環させる。蓄熱媒体ポンプ１３の下流側には、冷熱利用熱交換器１４が配設されている。この冷熱利用熱交換器１４では、低温の蓄熱媒体Ｃと出力装置３０に冷熱を供給する冷熱媒体（たとえば水）との間で熱交換が行われる。
【００１８】
容器本体１１内に配設された冷却コイルユニット２０は、冷媒循環系４０を形成する構成要素である。詳細には、この冷媒循環系４０は、図示しない圧縮機、熱交換器及び絞り機構等が冷媒管路４１を介して冷却コイルユニット２０に連結されるものであり、閉回路の冷凍サイクルを構成する。なお、冷媒循環系４０の具体例としては、たとえば空調装置における室外機ユニット及び室内機ユニットを循環するものがあり、室外機ユニットから送出された液冷媒の流路を必要時に切り換えて冷却コイルユニット２０に導入すればよい。
【００１９】
この場合の冷却コイルユニット２０は、冷凍サイクルを循環する冷媒と蓄熱媒体Ｃとの間で熱交換させる熱交換器として機能する。すなわち、冷却コイルユニット２０は、気液の状態変化を繰り返して冷媒が循環する冷凍サイクルに必要となる蒸発器及び凝縮器（熱交換器）のうち、蒸発器として機能するものである。このため、冷却コイルユニット２０を液冷媒が循環して流れると、容器本体１１内に貯蔵されている蓄熱媒体Ｃから吸熱して気化するので、冷媒の循環を継続することにより、冷却された蓄熱媒体Ｃは液体から固体（氷）に変化して冷熱を蓄えることができる。
【００２０】
氷蓄熱槽１０の冷熱を使用する出力装置３０には、たとえば空調装置の室内ユニット内に設置されている室内熱交換器がある。この場合、管路３１を循環する冷熱媒体が冷熱利用熱交換器１４で冷却された後、出力装置３０内の室内熱交換器に供給されて室内の空気と熱交換する。この結果、室内の空気は冷却されて冷房運転用の冷風となり、一方、冷熱媒体は温度が上昇して冷熱利用熱交換器１４へ戻される。この後、冷熱利用熱交換器１４で再度冷却された冷熱媒体は、以下同様の経路をたどって循環することとなる。
冷熱利用熱交換器１４で冷熱媒体と熱交換した蓄熱媒体Ｃは、温度上昇して容器本体１１に戻される。しかし、容器本体１１内の固体が液体となる際に溶解熱を奪うので、固体の蓄熱媒体Ｃが完全に溶解するまで液体の蓄熱媒体Ｃは低温に維持され、蓄熱体ポンプ１３の運転により管路１５を通って循環する。
【００２１】
上述した冷熱コイルユニット２０は、図１に示すように、銅管等の管材を折曲成形して複数の直管部と隣接する直管部を接続する複数の屈曲管部とからなる冷却コイル２１を採用し、その内部において冷媒管路２２が同一平面上を往復するように連通させた冷却コイル２１を複数積層した構成とされる。図示の場合、水平面上を往復する冷媒管路２２は、円形断面とした容器本体１１の左右両側面近傍において屈曲管部となる折曲成形部２３で折り返されている。また、冷却コイル２１の両端部は、一方が冷媒の入口ヘッダ２４に連結され、他方が出口ヘッダ２５に連結されている。すなわち、上下方向に設けられた入口ヘッダ２４及び出口ヘッダ２５に両端を連結して、冷媒管路２２が水平面上を往復する冷却コイル２１を複数（図示の例では５層）積層してある。
【００２２】
この結果、冷媒循環系４０から冷媒管路４１を介して氷蓄熱槽１０に導入された液冷媒は、入口ヘッダ２４から上下に積層された冷却コイル２１に分散して流入する。この液冷媒は、各冷却コイル２１を流れる過程で蓄熱媒体Ｃと熱交換して吸熱しながら出口ヘッダ２５に集められた後、冷媒管路４１を通って再度冷媒循環系４０へ戻るという経路を循環する。
また、図示の例では、同一平面上の冷却コイル２１が略半円に２分割され、それぞれが独立して冷媒循環系４０に連結された入口ヘッダ２４及び出口ヘッダ２５を備えているが、このような構成は、氷蓄熱槽１０の容量（断面積）に応じて適宜選択可能であり、たとえば１系統や３系統以上に分割してもよい。なお、入口ヘッダ２４及び出口ヘッダ２５が複数ある場合には、それぞれに設けたヘッダを介して冷媒循環系４０と連結すればよい。
【００２３】
ここで、図１及び図２に基づいて、冷却コイル２１の形状について詳述する。この場合の冷却コイル２１は、冷媒管路２２の折曲成形に際して、隣接する直管部の間隔が屈曲管部から離れるにしたがって増加するように形成されるものであり、本実施形態では、平面視が略Ｍ字状の形状となるように各折曲成形部２３が折曲成形されている。ここで、略Ｍ字状の形状について、図２（ａ）を参照して説明する。
この略Ｍ字形状とは、同一平面上で隣接する冷媒管路２２が互いに平行とはならず、略半円形状となる折曲成形部に連なる左右一対の冷媒管路２２，２２の間隔が徐々に拡大するものである。ここで、図示の左側から順に、冷媒管路を２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとし、折曲成形部を２３ａ，２３ｂ，２３ｃとすれば、冷媒管路２２ａ，２２ｂの間隔ｗは、折曲成形部２３ａに近いｗ１よりも遠いｗ２が大（ｗ１＜ｗ２）となる。
【００２４】
また、折曲成形部２３ａとは反対側の折曲成形部２３ｂに連なる冷媒管路２２ｂ，２２ｃの間隔ｗは、冷媒管路２２ａ，２２ｂの場合と同様にして折曲成形部２３ｂに近いｗ１よりも遠いｗ２が大（ｗ１＜ｗ２）となり、以下同様の形状を繰り返し形成して往復する。なお、図５に示した従来例と同数の冷媒配管２３を均等に配列する場合、図２（ａ）に示した隣接する間隔ｗ１と間隔ｗ２との合計は２Ｌ（ｗ１＋ｗ２＝２Ｌ）となる。
【００２５】
このような略Ｍ字状の冷却コイル２１は、折曲成形部２３に近いほど間隔ｗが狭くなっているため、図２（ｂ）に示すように、冷却管路２２の周囲及び折曲成形部２３から連続して氷が成長しやすくなり、ブリッジングや蓄熱媒体Ｃの水封が生じにくくなる。すなわち、液体の蓄熱媒体Ｃは、間隔ｗが狭い場所から冷却管路２２の全周にわたって略均等に凝固していくので、図２（ｂ）に矢印で示すように、液体は間隔ｗの広い方へ押しやられてブリッジングや水封が生じにくくなる。
【００２６】
ここで、上述したように、隣接する直管部の間隔が屈曲管部から離れるにしたがって増加するように形成される冷却コイル２１を積層させても水封が生じにくい構成とすることができるので、これをただ単に積層させた冷却コイルユニットを用いても本発明は好適に実施し得る。
しかし、本実施形態では、ブリッジングについてもより一層生じにくくするために、直管部の間隔が屈曲管部から離れるにしたがって増加するように冷却コイル２１を形成したことを利用し、冷媒配管２２に形成された直管部が平面視で交差するように向きを変えて冷却コイル２１が積層される冷却コイルユニット２０を採用する。
【００２７】
具体的には、冷却コイル２１は、積層方向において隣接する冷媒管路２２が互いに交差する部分を備えるように配置される。すなわち、図２（ｃ）に示すように、略Ｍ字状とした冷却コイル２１の位相を適宜ずらし、直線部となる冷媒管路２２がいずれも交差するように配置する。図示の例では、実線で示した冷却コイル２１ａの下層に配置された破線表示の冷却コイル２１ｂが、１８０度位相をずらして配置されており、各冷媒管路２２の中心部となる点Ｐで互いに交差している。しかしながら、位相のずれは１８０度に限定されることはなく、積層方向に隣接する冷媒管路２２に交差部が生じればよい。
【００２８】
このような配置にすれば、積層方向におけるコイル間の間隔は、交差点Ｐが最も狭くなり、この交差点Ｐから両側の折曲成形部２３方向へ徐々に拡大していくので、上述した略Ｍ字状と同様にブリッジングや水封が生じにくくなる。
なお、略Ｍ字状とした冷却コイル２１の積層は、積層方向において奇数層及び偶数層の間で位相をずらした配置の他、積層方向に隣接して位相の異なる冷却コイル２１が３段階あるいはそれ以上配置された構成としてもよい。
【００２９】
このように、氷蓄熱槽１０が、略Ｍ字状とした冷却コイル２１を、積層方向に隣接する冷媒配管２２が互いに交差するよう位相をずらして複数積層した冷却コイルユニット２０を備えた構成としたので、冷却コイル２１を形成する同一面方向（水平方向）及び積層方向（上下方向）のいずれにおいても、隣接する冷却管路２２間にブリッジングや水封が生じにくくなる。
【００３０】
そして、ブリッジングが生じにくくなると、ブリッジングが生じた領域における部分的な伝熱効率の低下を防止できるので、冷却コイルユニット２０を構成する冷媒管路２２の全体（全長）を有効利用して効率のよい冷却が可能となる。
また、ブリッジングが発生しなければ水封が生じることもないので、水封された液体の蓄熱媒体Ｃが膨張して冷媒管路２２を圧迫するような応力の発生も防止できる。
なお、上述した実施形態では冷却コイル２１を水平面上に形成し、複数の冷却コイル２１を上下方向に積層した構成の冷却コイルユニット２０について説明したが、冷却コイル２１を垂直面上に形成した水平方向へ積層した構成としてもよい。
【００３１】
ところで、上述した略Ｍ字状の冷却コイル２１に代えて、隣接する直管部の間隔が屈曲管部から離れるにしたがって増加するように形成する構成として、たとえば図４に示すような変形例が可能である。この場合の冷却コイル１２１ａ，１２１ｂは略Ｎ字状であり、たとえばＮ字の向きが逆になるように冷却コイルの表裏を反対にして交互に積層することで、冷媒管路１２２ａ，１２２ｂが互いに交差する交差点Ｐを備えた冷却コイルユニットを構成する。
すなわち、実線表示の冷却コイル１２１ａと破線表示の冷却コイル１２１ｂとは、平行に配列した一対の冷媒管路間を傾斜させた冷媒管路１２１ａ，１２２ｂで連結する形状となるので、逆向きに傾斜した冷媒管路どうしが交差して交差点Ｐを形成している。また、図示の例では、傾斜した冷媒管路１２２ａ，１２１ｂの略中心に交差点Ｐが位置するような配置で積層されているが、これをずらすことで、積層方向における平行配列された冷媒管路間の間隔を増してもよい。
【００３２】
このように、略Ｎ字状とした冷却コイルを表裏反対にして積層し、積層方向に隣接する冷媒配管１２２ａ，１２２ｂが互いに交差するように構成した冷却コイルユニット２０を備えた氷蓄熱槽１０としても、冷却コイル１２１ａ，１２１ｂを形成する同一面方向及び積層方向のいずれにおいても隣接する冷却管路２２間にブリッジングや水封が生じにくくなる。
【００３３】
従って、上述したようにブリッジングや水封を生じにくい冷却コイルユニット２０が設けられた氷蓄熱槽１０を氷蓄熱式空調装置等に採用すれば、氷蓄熱槽１０に冷熱を蓄える際の消費電力を最小限とする運転が可能になり、装置全体のＣＯＰを向上させることができる。すなわち、冷却コイルユニット２０の冷却能力がブリッジングの発生により低下するようなことがないので、設計通りの冷却能力及び冷却能力変動を維持することができるようになり、所望の冷熱を蓄熱するのに必要な冷媒循環系４０の運転時間を有効に利用できる。換言すれば、低料金の夜間電力使用時間を最大限に利用して冷熱を蓄熱することができるので、圧縮機の負荷を最小にした運転を所定時間継続して、消費電力が少なく効率のよい氷蓄熱が可能になる。
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の氷蓄熱槽によれば、積層方向に隣接する冷媒管路が互いに交差する部分を備えている冷却コイルユニットとしたので、冷媒管路が交差する部分およびその周辺以外では全周方向において隣接する冷媒管路の間隔が広がるため、ブリッジングを生じにくくなる。このため、冷却コイルユニット全体を有効に利用して、設計通りの冷却効率を維持した効率のよい蓄熱を行うことができる。
また、ブリッジングの発生がないため、蓄熱媒体の水封により冷媒管路を圧迫するような応力が発生することもないので、冷却コイルユニット及びこれを備えたこり蓄熱槽の信頼性や耐久性を向上させることができる。
【００３５】
また、平面視が略Ｍ字状や略Ｎ字状の冷却コイルを採用すれば、積層方向に隣接する冷却コイルの位相や向きをずらして積層すれば、積層方向において隣接する冷媒配管の少なくとも一部を容易に交差させて配置することができる。
【００３６】
また、冷却コイルは、複数の直管部と、隣接する直管部を接続する複数の屈曲管部とからなり、隣接する直管部の間隔が屈曲管部から離れるにしたがって増加するように形成されるので、ブリッジングによる水封が生じにくくなる。さらに、直管部が平面視で交差するようにその冷却コイルが積層されるようにした場合には、積層方向において隣接する冷却コイルにおけるブリッジングを生じにくくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る氷蓄熱槽の一実施形態を示す構成図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図２】図１の冷却コイルを示す図で、（ａ）は略Ｍ字形状の冷却コイルを説明するための平面図、（ｂ）は（ａ）の冷却管路に着氷した状態を示す図、（ｃ）は（ａ）の積層方向配置例を示す平面図である。
【図３】本発明に係る氷蓄熱槽の使用例を示す系統図である。
【図４】図２に示した冷却コイルの変形例として、略Ｎ字形状の積層方向配置例を示す平面図である。
【図５】従来の冷却コイル形状を示す平面図である。
【図６】従来の冷却コイルに着氷してブリッジング及び水封が生じた状態を示す図で、（ａ）は水平断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１０    氷蓄熱槽
１１    容器本体
１２    流出管
１３    蓄熱媒体ポンプ
１４    冷熱利用熱交換器
１５，３１    管路
２０    冷却コイルユニット
２１    冷却コイル
２２    冷媒管路
２３    折曲成形部
２４    入口ヘッダ
２５    出口ヘッダ
３０    出力装置
４０    冷媒循環系
４１    冷媒管路
Ｃ    蓄熱媒体
【図１】
2004340440.tif 000003
【図２】
2004340440.tif 000004
【図３】
2004340440.tif 000005
【図４】
2004340440.tif 000006
【図５】
2004340440.tif 000007
【図６】
2004340440.tif 000008