(57)【要約】【課題】氷蓄熱システムにおいて、複雑な構造を付加することなく、蓄熱（凝固）・放熱（融解）を行った際の水溶液濃度勾配を解消する。【解決手段】内部に低濃度ブライン溶液を添加した水を充填した蓄熱槽１内に熱交換用の伝熱管２を蛇行状に配置し、伝熱管２内に、外部の室外ユニットおよび室内ユニットの熱媒体を循環させる氷蓄熱システムにおいて、蓄熱槽１内部の底部と伝熱管２の配管最下部との間に、当該配管に接触する状態に発泡スチロール等からなる補填材３を敷設する。補填材３を蓄熱槽１内底部に設けたことで、濃度の高いブライン溶液が蓄熱槽１内底部に下降しても、放熱時に温度の高い伝熱管２の表面に接触することで自然対流が生じ、蓄熱と放熱の毎サイクル毎にブライン溶液の濃度分布が解消される。この現象は、自然対流により行われるため、ポンプなどの強制循環手段を要しない。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に低濃度ブライン溶液を添加した水を充填した蓄熱槽内に熱交換用の伝熱管を蛇行状に配置し、前記伝熱管内に、外部の室外ユニットおよび室内ユニットの熱媒体を循環させる氷蓄熱システムにおいて、
前記蓄熱槽内部の底部と前記伝熱管の配管最下部との間に、当該配管に接触する状態に補填材を敷設したことを特徴とする氷蓄熱システム。
【請求項２】
前記補填材は、発泡スチロールである請求項１記載の氷蓄熱システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、夜間電力を用いて製氷を行い、そのエネルギーを昼間の冷房に利用する氷蓄熱システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、夏季の昼間のピーク電力は主に冷房需要増加により夜間の約２倍になっており、エネルギーの有効利用や省エネルギーの観点から、電力需要の平準化が重要な課題となっている。
その有効な解決手段として、氷蓄熱空調システムが挙げられる。
【０００３】
現今では、大・中規模の建物等への大型の氷蓄熱空調システムは普及しているが、更なる電力負荷平準化に貢献するため、小規模店舗や住宅への小型氷蓄熱システムの普及が必要である。
氷蓄熱システムは、水の固−液の相変化時の吸熱・放熱を利用した潜熱蓄熱方式であり、熱媒としての水そのものを蓄熱体と兼用する外氷外融型と、システム還流熱媒とは分離して水を蓄熱体として独立させる外氷内融型があり、この内融型にも、作られる氷の状態によってスタティック型とダイナミック型がある。スタティック型は、蓄熱槽に常時貯められた水の間にチューブを配管し、このチューブ内に低温のブラインを通すことによって熱交換を行い、貯められた水を氷に変える方式である。ダイナミック型は、熱交換機や製氷機で生成した氷を蓄熱槽に移して貯める方式である。
【０００４】
さて、システム全体の小型化を考えると、直膨内融式スタティック型の空調システムが最適である。
しかしながら、直膨内融式スタティック型氷蓄熱器ではＩＰＦ（Ｉｃｅ  Ｐａｃｋｉｎｇ  Ｆａｃｔｏｒ：氷充填率）は６５％程度にとどまっており、小型化の支障となっている。これは本システムには蓄冷材として純水が用いられており、水が凝固する際の体積膨張により閉じ込められた水が高圧を発生したり、管群に大きな氷の膨張応力を発生したりするため管群を破損する危険性があり、実際の製氷運転ではブリッジングが起こる前で製氷を停止しているためである。
【０００５】
氷蓄熱槽のＩＰＦを高めるため、蓄熱媒体に低濃度ブライン溶液を使用し、マッシュ状（固−液共存の状態）の氷を製氷する技術が進められている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２５４３３１号公報
【非特許文献１】
熊本大学地域共同研究センター第１３回共同研究成果発表会概要集「高性能氷蓄熱システムの開発（４）」
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
蓄冷剤に低濃度ブライン溶液を添加すると、従来の純水を蓄冷材に用いた場合に比べＩＰＦの値を１．５倍程度大きくすることが出来た。しかし、どの水溶液の場合においても約２週間程度蓄熱（凝固）・放熱（融解）運転を繰り返すと蓄熱槽最下部でブラインの濃度が濃く、その他の部分で薄くなるといった濃度勾配が生じ、濃度の薄くなった場所で蓄熱時に圧力の上昇が起こってしまうという問題があった。そのため、約２週間に１度ポンプにて蓄熱槽内水溶液の攪拌を行う必要があった。しかし、ポンプを用いて蓄冷材を攪拌すると新たにポンプを動かす動力が必要となり、また運転を制御するプログラム中にポンプを動かすプログラムを組み込まねばならないという新たな不都合が生じる。
そこで本発明は、複雑な構造を付加することなく、蓄熱（凝固）・放熱（融解）を行った際の水溶液濃度勾配を解消することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の氷蓄熱システムは、内部に低濃度ブライン溶液を添加した水を充填した蓄熱槽内に熱交換用の伝熱管を蛇行状に配置し、前記伝熱管内に、外部の室外ユニットおよび室内ユニットの熱媒体を循環させる氷蓄熱システムにおいて、前記蓄熱槽内部の底部と前記伝熱管の配管最下部との間に、当該配管に接触する状態に補填材、例えば発泡スチロールを配置したことを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、夜間電力を用いて室外ユニットを駆動し、製氷を行う蓄熱（凝固）時には時間とともに蓄熱槽内に氷が生成され、蓄熱槽下部の濃度が徐々に濃くなっていく。これは蓄熱時に生成する固相からブラインが全て排出され、固相は純粋な水の氷となる。また、相変化の際排出されたブラインはその周囲に比べ密度が大きい。そのため固−液相界面近傍にて下向きの対流が生じ、蓄熱槽下部へと高濃度の水溶液が運ばれるが、その下限は蓄熱槽内底部の補填材の上面までである。一方、室内ユニットを使用する放熱（融解）時には、まず、放熱（融解）初期では伝熱管周りで伝熱管によって温められ固相が溶け出す。その融液は温められているため周囲よりも密度が小さく上向きの自然対流を生じる。その後上部に運ばれた融液は固相を溶かしながら冷却される。その際融液は冷却されるため周囲よりも密度が大きく下向きの自然対流を生じる。この現象が連続して起こり伝熟管周りの融液が撹拌される。その後、融解が進むと、固相に穴があき始め液相部同士がつながり大きな対流となり蓄熱槽全体に広がっていく。
【００１０】
以上のようにして、補填材を蓄熱槽内底部に設けたことで、濃度の高いブライン溶液が蓄熱槽内底部に下降しても、放熱時に温度の高い伝熱管の表面に接触することで自然対流が生じ、蓄熱と放熱の毎サイクル毎にブライン溶液の濃度分布が解消される。この現象は、自然対流により行われるため、ポンプなどの強制循環手段を要しない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明に係る氷蓄熱システムの氷蓄熱槽の構造を示すもので、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ），（ｄ）は拡大図である。図１において、１は蓄熱槽、２は熱交換用の伝熱管、３は蓄熱槽１の内部底部に設けた発泡スチロールからなる補填材、４は支持板、５はポンプ（図示せず）へのバルブ、６は液面レベル表示管、７は銅板、８は濃度測定用バルブ、９は圧力センサである。
なお、濃度測定用バルブ８と圧力センサ９は、測定実験のためのものであり、実機では不要である。
【００１２】
蓄熱槽１は、厚さ２０ｍｍのポリカーボネート製の矩形容器であり、内寸法は幅６００．２ｍｍ、奥行き１５７．８ｍｍ、高さ１３６４．６ｍｍである。また、実験をなるべく断熱状態で行うため蓄熱槽１全体を厚さ５０ｍｍの発泡スチロールで覆った。蓄熱槽１内には銅製で外径８ｍｍ、肉厚０．７ｍｍ、一列の管長約７ｍの伝熱管２がＵ字型に折りたたまれて３列配置されている。また、伝熱促進のために、肉厚１ｍｍの銅板７を伝熱管２の上に設置した（取り外しが可能である）。蓄熱槽１には下部より４９２．６ｍｍ、１０４４．６ｍｍの２箇所の位置に圧力センサ９を設置し、Ｔ型熱電対を下部より７８．６ｍｍ、２５８．６ｍｍ、４３８．６ｍｍ、６１８．６ｍｍ、７９８．６ｍｍ、９７８．６ｍｍの位置（奥行き方向には前面より３２．６ｍｍ、幅方向には左側面より３００．１ｍｍの位置）に計６本設置した。蓄熱槽１後面には水溶液濃度を測定するために液採取用バルブを３１個設置した。また、蓄熱槽１最下部のみに高濃度の水溶液が溜まることが分かったため、蓄熱槽１の斜線部分を発泡スチロールからなる補填材３で塞いだ。
【００１３】
実験装置の概要を図２に示す。実験装置は蓄熱槽１、３台の恒温槽１１、データロガー１２、パーソナルコンピュータ１３、流量計１４、液循環用ポンプ１５から構成される。３台の恒温槽１１には、アンプ、圧力センサ等の圧力測定装置が設けられている。
【００１４】
（比較例（従来例））
水溶液の濃度を抽出するためのバルブを９箇所、圧力センサを３箇所、水温センサを１８箇所設置した。実験方法としては蓄冷材に１質量％のエチレングリコール水溶液（以下Ｅ．Ｇ水溶液）、１．５質量％ショウブラインＰＦＰ（商品名）水溶液（以下ＰＦＰ水溶液）を用い、本システムが実際に使用されるであろう条件下で蓄熱・放熱運転を繰り返し約２週間に１度ポンプにて蓄冷材を撹拌することにより、長期的に連続運転を行った。
【００１５】
図３に蓄熱・放熱運転を繰り返し行った際の蓄熱槽内水溶液の濃度分布変化を示す。図中のＰｏｉｎｔ▲１▼〜▲９▼は図１中のＰ１〜Ｐ９の位置に対応している。図より２週間程度蓄熱・放熱を繰り返すと蓄熱槽最下部（図１中の斜線部分）のみが約７〜８％と濃くなり、その他の場所では均一に薄くなっていくのがわかる。これは蓄熱時に生成する固相から溶質のＥ．Ｇ水溶液が排出されるため、水溶液は蓄熱前よりも高濃度になる。その後放熱時には、伝熱管２近傍では温められた融液によって上向きの対流が生じ、水溶液は撹拌されるが、伝熱管２より下の領域では対流が生じず、高濃度の水溶液が停留したままになるためと考えられる。また、この濃度勾配は直線的であるため、その後も蓄熱・放熱を繰り返すとさらに勾配が大きくなっていくのもと思われる。そこで水溶液をポンプで蓄熱槽１の上部より流出、下部より流入させることにより撹拌を行ない、約２週間に一度、均一な濃度に戻した。
【００１６】
撹拌は３回行ったが、その度にポンプ流量を４０Ｌ／ｍｉｎ．、２０Ｌ／ｍｉｎ．、１０Ｌ／ｍｉｎ．と変化させて行った。図４に４０Ｌ／ｍｉｎ．で撹拌を行った際の１０分ごとの濃度変化を示すが、撹拌開始後約３０分で均一な濃度に戻ることが分かる。また、２０Ｌ／ｍｉｎ．では約５０分、１０Ｌ／ｍｉｎ．では約９０分かかり、流量と撹拌時間はほぼ比例の関係であった。
【００１７】
図５に１質量％Ｅ．Ｇ水溶液を蓄冷材に用いた場合の実験初期の蓄熱・放熱運転の結果を示す。午前９時３０分より放熱運転を開始しているが、運転時間とともに冷熱が使用されＩＰＦが減少しているのがわかる。また、午後１０時より蓄熱運転を行ない、午前３時頃までにＩＰＦが９０％程度になっている。その際に製氷時の体積膨張による圧力の上昇も見られない。しかし、蓄熱・放熱運転を繰り返し実験開始後１２日目になると、図６に示すように蓄熱時の午前３時頃に蓄熱槽１の中段（ｈ＝５８１ｍｍ）と下段（ｈ＝２１３ｍｍ）に、１．０×１０５Ｐａ程度の圧力上昇が確認された。また、１．５質量％ＰＦＰ水溶液を蓄冷材として用いた場合、蓄熱・放熱運転を繰り返し１２日目と１３日目に２．９４×１０５Ｐａ（３ｋｇｆ／ｃｍ２）を超える圧力が発生したために蓄熱運転を停止した（図７参照）。これは、前述したように蓄熱・放熱運転を繰り返すと蓄熱槽１最下部以外の部分で水溶液濃度が薄くなり、固−液共存層中の液相（圧力が大気へと緩和されるための圧力の抜け道）割合が減少し、圧力が大気に開放されにくくなったためであると考えられる。
【００１８】
（本発明）
つぎに伝熱管２の列を３列に減らし、図１の斜線部分を発泡スチロールからなる補填材３で塞いだ（斜線部分は高濃度の溶液が停留してしまうため）蓄熱槽内に、１質量％プロピレングリコール水溶液（以下Ｐ．Ｇ．水溶液）を蓄冷材に用いて蓄熱・放熱を行った際の蓄熱槽内濃度分布の時間変化を図８（ａ），（ｂ）に示す。なお、図中のＰｏｉｎｔ▲１▼〜▲８▼は蓄熱槽１の最下部からｈ＝１３１１ｍｍ、１０６１ｍｍ、９３３ｍｍ、５５５ｍｍ、４２４ｍｍ、１４１ｍｍ、１３ｍｍ、０ｍｍである。
【００１９】
蓄熱（凝固）時には時間とともに蓄熱槽１下部の濃度が徐々に濃くなっていくのが分かる。これは蓄熱時に生成する固相から溶質のＰ．Ｇ水溶液は全て排出され、固相は純粋な水の氷となる。また、相変化の際排出されたＰ．Ｇ水溶液はその周囲に比べ密度が大きい。そのため固−液相界面近傍にて下向きの対流が生じ、装置下部へと高濃度の水溶液が運ばれるためと考えられる。また、放熱（融解）時には蓄熱時に生じた濃度分布が時間とともに解消されている。濃度分布が均一に戻る理由として放熱時の自然対流が考えられる。まず、放熱（融解）初期では伝熱管２周りで伝熱管２によって温められ固相が溶け出す。その融液は温められているため周囲よりも密度が小さく上向きの自然対流を生じる。その後上部に運ばれた融液は固相を溶かしながら冷却される。その際融液は冷却されるため周囲よりも密度が大きく下向きの自然対流を生じる。この現象が連続して起こり伝熟管２周りの融液が撹拌される。その後融解が進むと、固相に穴があき始め液相部同士がつながり大きな対流となり蓄熱槽１全体に広がっていく。
以上のようにして、補填材３を設けたことにより、蓄熱槽１内部の濃度分布が解消されると思われる。
なお、上述した実施の形態では、補填材として発泡スチロールを用いた例を示したが、伝熱管の配管最下部に接触して蓄熱槽底部に水溶液が滞留しないようにするとともに、水溶液が凍る際の伝熱管への応力をある程度受け止める機能を有するものであれば、他の材料でもよい。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、内部に低濃度ブライン溶液を添加した水を充填した蓄熱槽内に熱交換用の伝熱管を蛇行状に配置し、前記伝熱管内に、外部の室外ユニットおよび室内ユニットの熱媒体を循環させる氷蓄熱システムにおいて、前記蓄熱槽内部の底部と前記伝熱管の配管最下部との間に、当該配管に接触する状態に補填材、例えば発泡スチロールを配置したことにより、複雑な構造を付加することなく、蓄熱（凝固）・放熱（融解）を行った際の水溶液濃度勾配を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る氷蓄熱システムの氷蓄熱槽の構造を示すもので、（ａ）は正断面図、（ｂ）は側断面図、（ｃ），（ｄ）は拡大図である。
【図２】本発明の効果を調べるための実験装置の概略図である。
【図３】蓄熱・放熱運転を繰り返し行った際の蓄熱槽内水溶液の濃度分布変化を示すグラフである。
【図４】１質量％Ｅ．Ｇ水溶液を蓄冷材に用いた場合の実験初期の蓄熱・放熱運転の結果を示すグラフである。
【図５】Ｅ．Ｇ水溶液濃度が薄まった際の運転結果を示すグラフである。
【図６】ＰＦＰ水溶液濃度が薄まった際の運転結果を示すグラフである。
【図７】過大圧力が発生したために蓄熱運転を停止した状態を示すグラフである。
【図８】蓄熱時（ａ）と放熱時（ｂ）の水溶液濃度分布の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１  蓄熱槽
２  伝熱管
３  補填材
４  支持板
５  バルブ
６  液面レベル表示管
７  銅板
８  濃度測定用バルブ
９  圧力センサ
【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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