(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内熱交換器を備え、水を貯めた蓄熱槽内に設置された蓄熱用熱交換器の伝熱管表面に製氷して蓄熱する氷蓄熱式空気調和装置において、
前記蓄熱用熱交換器内で冷媒を蒸発させることにより蓄熱用熱交換器の表面に製氷し、前記蓄熱槽の底面に対して垂直な板状の氷を生成することによって氷を隔壁とする水の流路を形成し、
前記蓄熱槽と室内熱交換器との間に凝縮用熱交換器を介在させ、氷の熱を冷房に利用する際には、前記凝縮用熱交換器によって蓄熱槽内の水と熱交換して凝縮させた冷媒を室内熱交換器へ搬送し蒸発させ、
前記蓄熱槽内に板状の部材を設け、この板状の部材と氷とを接触させて隔壁の一部としたことを特徴とする氷蓄熱式空気調和装置。
【請求項２】
室内熱交換器を備え、水を貯めた蓄熱槽内に設置された蓄熱用熱交換器の伝熱管表面に製氷して蓄熱する氷蓄熱式空気調和装置において、
前記蓄熱用熱交換器内で冷媒を蒸発させることにより蓄熱用熱交換器の表面に製氷し、前記蓄熱槽の底面に対して垂直な板状の氷を生成することによって氷を隔壁とする水の流路を形成し、
前記蓄熱槽と室内熱交換器との間に凝縮用熱交換器を介在させ、氷の熱を冷房に利用する際には、前記凝縮用熱交換器によって蓄熱槽内の水と熱交換して凝縮させた冷媒を室内熱交換器へ搬送し蒸発させ、
前記蓄熱槽内を上下に仕切る仕切板によって上下２段の領域に分割し、板状の氷一枚あたりの流路方向長さを短くすることを特徴とする氷蓄熱式空気調和装置。
【請求項３】
室内熱交換器を備え、水を貯めた蓄熱槽内に設置された蓄熱用熱交換器の伝熱管表面に製氷して蓄熱する氷蓄熱式空気調和装置において、
前記蓄熱用熱交換器内で冷媒を蒸発させることにより蓄熱用熱交換器の表面に製氷し、前記蓄熱槽の底面に対して垂直な板状の氷を生成することによって氷を隔壁とする水の流路を形成し、
前記蓄熱槽と室内熱交換器との間に凝縮用熱交換器を介在させ、氷の熱を冷房に利用する際には、前記凝縮用熱交換器によって蓄熱槽内の水と熱交換して凝縮させた冷媒を室内熱交換器へ搬送し蒸発させ、
前記蓄熱槽への複数個の流入口と流出口とを有しており、該流入口及び流出口が板状の氷と平行に配置されていることを特徴とする氷蓄熱式空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、氷蓄熱式空気調和装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷媒ポンプを用いた氷蓄熱式空気調和装置は深夜電力を用いて蓄熱槽内に製氷しておき、昼間の電力がピークとなる時間帯に、氷の冷熱によって凝縮した液冷媒を冷媒ポンプで室内へ循環させ蒸発させることで冷房を行っており、圧縮機を使用しないので消費電力の大幅な低減が可能となっている。ここで、氷の冷熱により冷媒を凝縮させる方法として蓄熱槽内の冷水を凝縮用熱交換器に循環させ冷媒と熱交換させる方法が知られているが、このような氷蓄熱式空気調和装置では、室内熱交換器における蒸発圧力よりも凝縮用熱交換器における凝縮圧力を低く保つ必要があるので、蓄熱槽から安定した冷水の取出しが重要となる。
【０００３】
氷蓄熱槽から冷水を取出す方法としては、利用側からの戻り水を蓄熱槽の上部へ散水パイプで戻し、蓄熱槽内の下部に設けた出口パイプから取出す方法が特開平10-54592号公報に開示されている（従来技術１）。
【０００４】
また特開平7-294076号公報には、蓄熱槽内を、厚さ方向で重なる層状の冷却域に区画し、複数の冷却管を隣り合う冷却管の間隔を冷却域内における冷却管の配置間隔よりも大にする状態で配置することで、冷却域に沿った姿勢で間隔を隔てて対向する板状の氷を作成する方法が開示されている（従来技術２）。
【０００５】
また空気調和・衛生工学第４８巻第１２号（１９７４年）第１１頁から第２７頁には、蓄熱槽内にアルミロールボンドプレート式熱交換器を垂直に設置し、水平方向に蛇行する水の流路を形成する方法が論じられている（従来技術３）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術１に開示される冷水の取出し方法では、蓄熱槽内に均一に水を流しているため平均流速が遅く、水と氷との熱伝達率は小さい。このため蓄熱槽の大きさに対して循環水量が多く熱交換時間が短くなる場合には熱交換が十分に行われず、冷水の取出し温度が上昇してしまい冷媒を凝縮させることができなくなるので冷房不能になるという課題がある。
【０００７】
また上記従来技術２に開示される方法は、板状の氷と水とを熱交換させる場合、流れに沿って温度境界層が発達し下流側ほど熱伝達率が低下するので、熱交換が十分に行われないという課題がある。
【０００８】
さらに上記従来技術３に論じられるように、蓄熱槽内に仕切板を設けて水の流路を構成し、流速をあげることによって熱交換性能を向上させる場合には、仕切板を設置するための空間を確保する必要があるので、製氷量が低下し、仕切板の無い場合と同じ製氷量を確保するためには蓄熱槽を大きくする必要がある。
【０００９】
本発明の目的は、水と氷との熱交換を促進させることで、氷蓄熱槽内からの取出し水温を低温に保ち、安定した冷房能力の得られる氷蓄熱式空気調和装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る発明の構成は、室内熱交換器を備え、水を貯めた蓄熱槽内に設置された蓄熱用熱交換器の伝熱管表面に製氷して蓄熱する氷蓄熱式空気調和装置において、前記蓄熱用熱交換器内で冷媒を蒸発させることにより蓄熱用熱交換器の表面に製氷し、前記蓄熱槽の底面に対して垂直な板状の氷を生成することによって氷を隔壁とする水の流路を形成し、前記蓄熱槽と室内熱交換器との間に凝縮用熱交換器を介在させ、氷の熱を冷房に利用する際には、前記凝縮用熱交換器によって蓄熱槽内の水と熱交換して凝縮させた冷媒を室内熱交換器へ搬送し蒸発させ、前記蓄熱槽内に板状の部材を設け、この板状の部材と氷とを接触させて隔壁の一部としたものである。
【００１１】
また上記目的を達成するために、本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る他の発明の構成は、室内熱交換器を備え、水を貯めた蓄熱槽内に設置された蓄熱用熱交換器の伝熱管表面に製氷して蓄熱する氷蓄熱式空気調和装置において、前記蓄熱用熱交換器内で冷媒を蒸発させることにより蓄熱用熱交換器の表面に製氷し、前記蓄熱槽の底面に対して垂直な板状の氷を生成することによって氷を隔壁とする水の流路を形成し、前記蓄熱槽と室内熱交換器との間に凝縮用熱交換器を介在させ、氷の熱を冷房に利用する際には、前記凝縮用熱交換器によって蓄熱槽内の水と熱交換して凝縮させた冷媒を室内熱交換器へ搬送し蒸発させ、前記蓄熱槽内を上下に仕切る仕切板によって上下２段の領域に分割し、板状の氷一枚あたりの流路方向長さを短くしたものである。
【００１２】
また上記目的を達成するために、本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係るさらに他の発明の構成は、室内熱交換器を備え、水を貯めた蓄熱槽内に設置された蓄熱用熱交換器の伝熱管表面に製氷して蓄熱する氷蓄熱式空気調和装置において、前記蓄熱用熱交換器内で冷媒を蒸発させることにより蓄熱用熱交換器の表面に製氷し、前記蓄熱槽の底面に対して垂直な板状の氷を生成することによって氷を隔壁とする水の流路を形成し、前記蓄熱槽と室内熱交換器との間に凝縮用熱交換器を介在させ、氷の熱を冷房に利用する際には、前記凝縮用熱交換器によって蓄熱槽内の水と熱交換して凝縮させた冷媒を室内熱交換器へ搬送し蒸発させ、前記蓄熱槽への複数個の流入口と流出口とを有しており、該流入口及び流出口が板状の氷と平行に配置したものである。
【００１４】
上記構成によって、仕切板を設置するためのスペースを確保することなく流路断面積を小さくし、流速をあげることができるので氷と水の熱交換が促進できるので、冷水を安定して取出すことが可能となる。
氷を隔壁とする水の流路を形成するためには、所定の位置で氷を蓄熱槽と接触させればよい。
また、蓄熱槽に板状の部材を設けて氷と接触させ隔壁の一部とすることで、氷と蓄熱槽との接触を確実なものとして、水が下流側の流路へバイパスすることを防止できる。
さらに、水の流路を鉛直方向に蛇行させることにより、密度差による上下方向の温度分布の形成を防止できるので、氷の融解を均一にすることができる。
【００１５】
さらに、蓄熱槽内を仕切板によって上下に分割し、それぞれの領域における板状の氷の流路方向の長さを短くすることで、蓄熱槽を分割しない場合にくらべて、下流域における温度境界層の発達を防止し、熱伝達率の低下した領域を減少させることができる。これによって、流路全体の平均熱伝達率を高くすることができ、水と氷との熱伝達を促進する効果が得られる。
【００１６】
さらに、蓄熱槽への流入口と流出口を複数設け、それらを板状の氷と概略平行に並べることで、蓄熱槽内での偏流を防止し、氷の融解を均一にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る実施例の系統図である。この氷蓄熱式空気調和装置は、主に夜間、深夜電力を利用して冷凍サイクルを動かして蓄熱槽内に製氷を行い、昼間この氷の熱を利用して冷房を行うものである。
夜間に製氷を行う際には、弁１３、弁１５を閉じ、弁１４を開ける。圧縮機１により圧縮された冷媒（図示せず）は室外熱交換器２で凝縮した後、膨張弁３により減圧され低温・低圧となる。そして蓄熱用熱交換器５において蓄熱槽６内の水７と熱交換し蒸発した冷媒（図示せず）は圧縮機１へもどる。ここで、蓄熱槽６内の水７の温度が十分に低下すると蓄熱用熱交換器５の表面に氷８が成長し、垂直な板状の氷８が形成され、所定量の氷８が生成されると製氷運転を終える。
【００１８】
昼間に氷８の熱を利用せずに冷房をおこなう際には、弁１４、弁１６を閉じ、弁１３、１５を開く。圧縮機１で圧縮された冷媒（図示せず）は室外熱交換器２で凝縮した後、膨張弁９で減圧される。その後、室内熱交換器４で室内の空気から熱を奪いながら蒸発し、圧縮機１に戻る。
【００１９】
氷８の熱を利用して冷房を行う際には、圧縮機１を停止するとともに弁１３、弁１５を閉じ、弁１６を開ける。そして水ポンプ１１により蓄熱槽６内の水を凝縮用熱交換器１０に循環させる一方、凝縮用熱交換器１０で凝縮した低温の液冷媒（図示せず）を冷媒ポンプ１２で室内熱交換器４へ循環させ、蒸発させることで冷房を行う。この時蓄熱槽６内では、板状の氷８により形成された鉛直方向に蛇行した流路１７を水７が循環することになるので、蓄熱槽６全体に水７を均一に流す場合に比べて流速が増し、氷８と水７との熱伝達が促進され安定した冷水を凝縮用熱交換器１０へ供給できる。
【００２０】
本実施例では、蓄熱槽６の底面で接した氷と下部から上方にずらしてある氷とを交互に並べてあるので、上下に蛇行する水の流路が形成され、密度差によって流れと垂直な水平方向に温度分布が生じることはなく、氷を均一に融解できる。
【００２１】
また、本実施例では仕切板１９により蓄熱槽６を上下2段に分割してそれぞれの領域で蛇行する流路を形成しているので、蛇行する流路１７の流路方向の長さを短くできる。従来の蓄熱槽による流路では、流れの下流側ほど温度境界層は厚くなり熱伝達率が低下していたが、本実施例のように板状の氷の流路方向の長さを短くすることにより温度境界層の発達を抑制して（すなわち温度境界層の発達領域を減少させて）、平均の熱伝達率を高めることできる。これによって取出し水温を低く保つことができる。
【００２２】
また本実施例のように、蓄熱槽６を偶数個に分割すると蓄熱槽６への戻り配管と取出し配管を蓄熱槽６の一方の側に配置できるので、水配管長さを短くすることができ、作業性の向上および水ポンプの動力低減が可能となる。
【００２３】
図２は、蓄熱槽の実施例の詳細図である。垂直な２本の伝熱管２０に複数本の水平な伝熱管２１が接続された熱交換器を４組平行に並べて接続している。水平な伝熱管２１の上下の間隔が左右の間隔よりも狭くなっており、伝熱管２１の周りに成長した氷８は上下の伝熱管の周りに成長した氷と接触し、垂直な板状の氷８を形成する。蓄熱槽６は仕切板１９により上下に分割されているが、それぞれの領域に上下方向に間隔を狭めた水平な伝熱管群が配置されており、隣り合う伝熱管群とは交互に上下方向にずらして配置してある。このように伝熱管を配置することにより製氷時には交互に上下にずれた板状の氷が形成され、上下に蛇行する流路１７を形成できる。
【００２４】
図３は、蓄熱槽の参考例の斜視図で、仕切板を利用したものである。本参考例では蛇行する流路と平行に仕切板１９を配置しており、仕切板１９の上部に切り欠き部２２を設けることにより水７の流通が可能となっている。このような仕切板１９を設けることにより流路１７の断面積を小さくすることができ、流速が増すので水７と氷８との熱交換を促進することができる。また本参考例では、板状の氷８が奇数枚生成されるようになっているので、水の戻り配管２３と取出し配管２４を共に蓄熱槽６の上部に設置することが可能となっており、蓄熱槽６の下部に取出し口を設ける必要がないので、原価および作業工数の低減が可能である。
【００２５】
図４は、蓄熱槽の他の実施例の断面図で、板状の部材を利用したものである。本実施例では、蓄熱用熱交換器５の表面に生成した氷が板状の部材２５を介して蓄熱槽６の底面と接するようにしてある。このような部材２５を設けることにより氷８と蓄熱槽６の底面２７との接触を確実なものとすることができ、蓄熱槽６内の水７が氷８と底面２７との間の隙間からバイパスすることを防止できる。また、伝熱管と底面２７を接近させることで氷８と底面２７を接触させる場合には、底面２７が氷８の成長を妨げるので底面２７を変形させる可能性もある。しかし、本実施例のように氷８の厚さよりも薄い板状の部材２５を設けた場合、氷８と板状の部材２５とが接触しても板状の部材２５が氷８の成長を大きく妨げることはないので、氷８の成長にともなう底面２７の変形を防止することができる。なお、板状の部材２５の取付け方法は蓄熱槽６の壁面に設ける場合も同様であることはいうまでもない。
【００２６】
また本実施例では、板状の部材２６を板状の氷８と接触するように設置しているので、水７が氷８の上方から下流側へバイパスすることを防止することが可能となり、安定して冷水を取出すことができる。
【００２７】
図５は、蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図で、板状の部材を利用したものである。本実施例では2本の流路を一組として蛇行する流路を構成している。このようにすることで、蓄熱槽６内を流れる水７の圧力損失を小さくすることができるので、水ポンプ１１の動力を低減できる。さらに、氷８と蓄熱槽６の底面２７は板状の部材２５を介して接しているが、蓄熱槽６内に設置する板状の部材２５の個数を減らすことができるので、原価および作業工数を低減できる。
【００２８】
図６は、蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図で、流路方向に複数枚の板状の氷を配置したものである。本実施例は、一組の流路内に複数個の板状の氷８が存在している点が図５の実施例と異なる。板状の氷８を一枚ではなく複数枚にしたことにより、一枚当たりの板状の氷８の長さが短くなるので、温度境界層が発達した領域を減少させることができ、平均熱伝達率を高くすることができる。
【００２９】
図７は、蓄熱用熱交換器のさらに他の実施例の斜視図で、円筒形の蓄熱槽を用いたものである。本実施例では、円形の水平断面にあわせて蛇行させた水平な伝熱管を上下方向に重ね合わせて蓄熱用熱交換器５を形成している（図では、途中の伝熱管は省略し、単に…印で図示）。上下の伝熱管の間隔は、蛇行させた伝熱管における直線部の間隔よりも狭くなっているので、図８に示すような底面に対し垂直な蛇行した板状の氷が生成される。ここで、板状の氷８は、円筒形の蓄熱槽６とベント部の外周部で接しており、底面とは底面に設けた板状の部材２５を介して接している。また氷の上部には氷上方からのバイパスを防止するために板状の部材２６を設けているので、上下に蛇行する流路１７が形成される。
【００３０】
図９は、蓄熱槽のさらに他の実施例で、円筒型の蓄熱槽を用いて水平に蛇行する流路を形成したものである。蛇行する流路を鉛直方向ではなく水平方向とした点が図８の実施例と異なる。本実施例では、水平方向に蛇行する流路を形成しているので、図８の実施例の場合と異なり流路幅が変化することはなく、氷を均一に融解させることができる。また、蓄熱槽６への戻り配管２３と取出し配管２４は、垂直なパイプに多数の穴２８を空けたものであるので、上下方向での偏流や温度分布の形成を防止することができる。
【００３１】
図１０は、波形の氷を形成した蓄熱槽の他の参考例の断面図である。本参考例は、蓄熱用熱交換器５を形成する水平な伝熱管を、上下方向にまっすぐ並べるのではなく、波形に配置することで断面が波形の氷８を形成するようにしたものである。このように断面が波形の氷とすることで温度境界層が氷に沿って一様に発達することを防止でき、板状の氷を使用する場合に対して水と氷の熱伝達率を高くすることができるので、安定して冷水を取出すことができる。なお、上記参考例において、蓄熱用熱交換器の伝熱管を任意の方向における間隔が狭くなるように配置して、前記蓄熱槽の底面に対し垂直な板状の氷を生成し、該氷を隔壁とする水の流路を形成しても同様の効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、水の平均流速を速くして水と氷との熱伝達率を大きくし、また温度境界層の発達を抑制して熱伝達率を大きくして、熱交換を十分に行うことのできる氷蓄熱式空気調和装置を提供することができる。
また本発明によれば、仕切板の設置をするための空間の確保を不要にすることによって、仕切板の無い場合と同じ製氷量を確保することのできる氷蓄熱式空気調和装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る実施例の系統図である。
【図２】蓄熱用熱交換器の実施例の詳細図である。
【図３】蓄熱槽の参考例の斜視図である。
【図４】蓄熱槽の他の実施例の断面図である。
【図５】蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図である。
【図６】蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図である。
【図７】蓄熱槽のさらに他の実施例の斜視図である。
【図８】図７に示す実施例で、氷の生成状況を示す図である。
【図９】蓄熱槽のさらに他の実施例の斜視図である。
【図１０】蓄熱槽の他の参考例の断面図である。
【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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