(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄熱用熱交換器を設置した蓄熱槽を備え、冷媒を蒸発させることにより前記蓄熱用熱交換器の表面に氷を生成し、冷房運転時には前記蓄熱槽内の水を循環させることで氷の熱を冷媒の凝縮もしくは過冷却に利用する氷蓄熱式空気調和装置において、
前記蓄熱槽内に伝熱管の間に垂直方向に仕切板を設置して循環水が前記蓄熱槽内を蛇行して流れるように一連の流路を形成し、
前記仕切板によって区画された各領域における循環水の流れ方向の流路横断面積が、上流側に対して下流側で小さくなるように構成したことを特徴とする氷蓄熱式空気調和装置。
【請求項２】
蓄熱用熱交換器を設置した蓄熱槽を備え、冷媒を蒸発させることにより前記蓄熱用熱交換器の表面に氷を生成し、冷房運転時には前記蓄熱槽内の水を水熱交換器へ循環させることで氷の熱を冷媒の凝縮もしくは過冷却に利用する氷蓄熱式空気調和装置において、
前記蓄熱槽内に垂直方向に仕切板を設置して循環水が前記蓄熱槽内を蛇行して流れるように一連の流路を形成し、
前記仕切板によって区画された各領域において伝熱管の占める割合が、循環水上流側に対して下流側が大きくなるように構成されていることを特徴とする氷蓄熱式空気調和装置。
【請求項３】
前記蓄熱用熱交換器は、蛇行させた一連の伝熱管を複数本層状に併設し、各伝熱管の設置間隔をPr、一連の蛇行する伝熱管における隣り合う直管部の間隔をPcとするとき、Pr<Pcとなるように構成したものであり、前記仕切板が一連の伝熱管の直管部と平行かつ垂直方向に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の氷蓄熱式空気調和装置。
【請求項４】
前記仕切板は、前記伝熱管の蛇行する面に対して略平行に設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の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、氷蓄熱式空気調和装置として深夜電力を用いて蓄熱槽内の蓄熱用熱交換器の表面上に製氷しておき、昼間の冷房時には前記蓄熱槽内の冷水を利用側熱交換器へと循環させることで、氷の冷熱を冷房に利用する方法が知られている。
【０００３】
蓄熱槽から冷水を取出す方法として、特開平10-54592号公報では、冷水循環配管を蓄熱槽の側面下部より内部に水平方向に挿入し、その先端を閉鎖すると共に、その水平部分に多数の孔を穿設して冷水を取出す方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平9-72583号公報では、熱負荷から蓄熱槽へ冷却用水を導入する往路の下流端部の導入管を蓄熱槽の底部に導入して、該導入部に設けた水平方向の給水孔により冷却用水の流れ方向を変換させて蓄熱槽内の冷却用水に混入させることで、この混入した冷却用水に動圧の影響を無くす方法が開示されている。
【０００５】
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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
氷蓄熱槽から均一な温度の冷水を長時間取り出すためには、伝熱管に形成されている氷が部分的に早く融解することがなく均一に融解されることが重要である。蓄熱槽内を循環水が一様に流れるようにした従来の冷水取り出し方法では、蓄熱槽内における平均流速は非常に遅いので、水と氷との熱伝達率が小さくなる。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、冷水の取り出し温度が上昇してしまい、均一な温度の冷水を長時間にわたって取り出すことができない。
【０００７】
また蓄熱槽内に仕切板を設置した場合、循環水が蓄熱槽内全体を流れ氷を有効に利用できるだけでなく、蓄熱槽内における平均流速が向上するので水と氷の熱伝達率を高めることができる。しかし蓄熱槽内流路の上流側では、下流側に比べて水と氷の温度差が大きく融解量が増大するので、蓄熱槽内の下流側に氷が残っている場合であっても上流側の氷が完全に融解し、氷表面積の減少により取り出し水温が上昇してしまう。
【０００８】
また板状の氷を生成し、その間を流路とする場合、千鳥状に伝熱管を配置する場合に比べて循環水の流路を容易に確保することができるが、氷の板に沿って温度境界層が発達し水と氷の熱伝達率が低下するので、取り出し水温が上昇する。また蓄熱槽内における循環水の上流側の融解が下流側に比べて早く、氷の融解が不均一になってしまう。
【０００９】
また、非共沸混合冷媒を等圧力下で蒸発させると、乾き度の増加に従い冷媒の蒸発温度が上昇するので、製氷をおこなう場合には、蓄熱用熱交換器の下流側ほど製氷量が減少する。このため、氷が融解するにつれて蓄熱用熱交換器下流側の氷が早期に融解してしまい、取り出し水温が上昇するという問題があった。
【００１０】
また蓄熱槽内における製氷量が不均一な場合には、循環水は製氷量が少なく比較的流動抵抗の少ない領域を流れるので、偏流が生じ蓄熱槽内の氷を有効に利用することが困難になる。
【００１１】
本発明の目的は、伝熱管に形成されている氷が部分的に早く融解することがなく均一に融解されるようにすることによって、均一な温度の冷水を長時間にわたって取り出すことのできる氷蓄熱式空気調和装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る氷蓄熱式空気調和装置の発明の構成は、蓄熱用熱交換器を設置した蓄熱槽を備え、冷媒を蒸発させることにより前記蓄熱用熱交換器の表面に氷を生成し、冷房運転時には前記蓄熱槽内の水を循環させることで氷の熱を冷媒の凝縮もしくは過冷却に利用する氷蓄熱式空気調和装置において、前記蓄熱槽内に伝熱管の間に垂直方向に仕切板を設置して循環水が前記蓄熱槽内を蛇行して流れるように一連の流路を形成し、前記仕切板によって区画された各領域における循環水の流れ方向の流路横断面積が、上流側に対して下流側で小さくなるように構成したものである。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明に係る氷蓄熱式空気調和装置の他の発明の構成は、蓄熱用熱交換器を設置した蓄熱槽を備え、冷媒を蒸発させることにより前記蓄熱用熱交換器の表面に氷を生成し、冷房運転時には前記蓄熱槽内の水を水熱交換器へ循環させることで氷の熱を冷媒の凝縮もしくは過冷却に利用する氷蓄熱式空気調和装置において、前記蓄熱槽内に垂直方向に仕切板を設置して循環水が前記蓄熱槽内を蛇行して流れるように一連の流路を形成し、前記仕切板によって区画された各領域において伝熱管の占める割合が、循環水上流側に対して下流側が大きくなるように構成されているものである。
【００１５】
好ましくは、前記蓄熱用熱交換器は、蛇行させた一連の伝熱管を複数本層状に併設し、各伝熱管の設置間隔をPr、一連の蛇行する伝熱管における隣り合う直管部の間隔をPcとするとき、Pr<Pcとなるように構成したものであり、前記仕切板が一連の伝熱管の直管部と平行かつ垂直方向に設置されているものである。
【００１６】
また、前記仕切板は、前記伝熱管の蛇行する面に対して略平行に設置されているものである。
【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、本発明に係る氷蓄熱式空気調和装置の実施例の系統図である。この氷蓄熱式空気調和装置は、深夜電力を用い冷凍サイクルを作動させて蓄熱槽内に製氷しておき、たとえば昼間の電力がピークとなる時間帯に、蓄熱槽内の氷の熱を利用して圧縮機を用いずに冷房運転をおこなう。
【００１８】
夜間に製氷をおこなう際には、弁１５、１７を閉じ、弁１４を開ける。圧縮機１により圧縮された冷媒１８は室外熱交換器２で凝縮した後、蓄熱用膨張弁４により減圧されて低温・低圧となる。そして蓄熱用熱交換器７において蓄熱槽６内の水８と熱交換して蒸発し、圧縮機１へ戻る。ここで、蓄熱槽６内の水８の温度が十分に低下すると蓄熱用熱交換器７の表面に氷９が成長し、所定量の氷９が生成されると製氷運転を終える。なお、この場合、氷厚は略均一に形成され。
【００１９】
昼間に圧縮機１を用いて冷房をおこなう際には、弁１４、１６を閉じ、弁１５、１７を開ける。圧縮機１で圧縮された冷媒１８は室外熱交換器２で凝縮した後室内へ送られる。そして室内膨張弁３により減圧され、低温・低圧となった冷媒１８は、室内熱交換器５で室内空気から熱を奪いながら蒸発し、圧縮機１へ戻る。
【００２０】
圧縮機１を用いずに冷房をおこなう際には、弁１５、１７を閉じ、弁１６を開ける。水ポンプ１１および冷媒ポンプ１２を起動し、水熱交換器１０で凝縮した低温の液冷媒１８を冷媒ポンプ１２で室内熱交換器５へ循環させ、蒸発させることによって冷房をおこなう。
【００２１】
ここで、蓄熱槽６内には垂直方向（略垂直方向も含む）に仕切板１９a、１９bが設置されている。蓄熱槽６内の水８は各仕切板１９a、１９bの上方もしくは下方で連通しており、蓄熱槽６内を上下に蛇行する一連の流路が形成されている。さらに仕切板１９a、１９bによって区画された各領域における循環水の流路横断面積は上流側で最も大きく、下流側ほど小さくなっている。このため、等間隔に仕切板を設置した場合に比べて、上流側では循環水の平均流速が抑制されるので融解量が減少し、下流側では平均流速が速くなるので、熱伝達率が向上して融解量は増大する。
【００２２】
詳しくは、水８と氷９との間の熱交換量Ｑは、熱伝達率をα、氷の表面積をＡ、水と氷９との温度差をΔＴとすると、
Ｑ＝αＡΔＴ…………（１）
で表され、αは水の流速が速くなると大になり、遅くなると小になるので、結局、流速の速い部分では熱交換量Ｑが大、すなわち氷９の融解量が大きくなる。逆に、流速の遅い部分では熱交換量Ｑが小、すなわち氷９の融解量が小さくなる。したがって、高温冷水の流れる上流側流路と、より低温の冷水が流れる下流側流路との間に融解量の差は小さくなり（もしくは融解量が等しくなり）、蓄熱槽６内の氷９はほぼ均一になるように、すなわち伝熱管に付着している氷９の残量がほぼ等しくなるように（もしくは等しくなるように）融解されるので、蓄熱槽６から均一な温度の冷水を長時間にわたって取り出すことができる。
【００２３】
上記式（１）から明らかなように、温度差ΔＴが大きい場合には熱交換量Ｑは大となり、小さい場合には熱交換量Ｑは小となるので、流速を等しくした場合には、高温冷水の流れる上流側流路では融解量が大となり、より低温の冷水が流れる下流側流路では融解量が小となる。
【００２４】
本実施例では、図２に示すように、水平方向に蛇行する伝熱管を垂直方向に層状に並設した蓄熱用熱交換器７を用いており、各伝熱管の垂直方向の設置間隔Prは、蛇行する伝熱管における直管部の水平方向の間隔Pcよりも小さくなるように設置してあるので、伝熱管の外周に生成される氷は垂直方向に隣り合う伝熱管外周の氷が接触し、垂直方向に板状の氷９が形成される。そして仕切板１９a、１９bは水平方向に蛇行する伝熱管の直管部と平行かつ垂直に設置されているため、循環水は板状氷９の間を垂直方向に上昇もしくは下降して流れる。平行な板状の流路は、千鳥状に配置された伝熱管群を循環水が流れる場合に比べて流動抵抗が低く、蓄熱槽壁面近傍などへの循環水のバイパスを防止できる。また、平行な板上の流路内における流動抵抗が少ないために、流路内の偏流も生じ難く、氷の有効活用が可能となっている。
【００２５】
図３は、本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る蓄熱槽の他の実施例の断面図で、垂直方向に蛇行する伝熱管を用いている。
本実施例では、蓄熱運転時において、蓄熱用熱交換器７の冷媒１８の入口７a側から出口７b側へ向けて循環水が流れるように仕切板１９a、１９b、１９cを設置している。このため、非共沸混合冷媒（例えば、Ｒ４０７Ｃ）を用いた場合、すなわち非共沸混合冷媒を等圧力下で蒸発させると乾き度の増加に従い冷媒の蒸発温度が上昇して蓄熱用熱交換器の下流側ほど製氷量が減少し、蓄熱用熱交換器７の出口７b側における製氷量が減少するような場合であっても、上流側流路の融解を促進し下流側流路の融解量を抑制することができる。このため、氷９が蓄熱用熱交換器７の全体にほぼ均一に残ることになり、氷を有効に利用することが可能となる。
【００２６】
図４は、本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図で、下流側冷却域の伝熱管本数を増加させ、伝熱管の占める割合が、循環水の上流側に対して下流側でより大きくなるように構成したものである。
本実施例では、仕切板１９aによって区画された二つの領域のうち下流側の領域における伝熱管７の設置間隔を狭めて伝熱管本数を増加させている。このため、仕切板１９aは蓄熱槽６を等分するように設置されているものの、上流側領域に対して下流側領域では循環水の流路断面積が狭くなって流速が増加し、このため水と氷との熱伝達率を向上させることができ、氷をほぼ均一に融解させることができる。
【００２７】
図５は、本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図で、蛇行させる面と平行に仕切板を設置したものである。
本実施例では、直管部を水平にし、垂直方向に蛇行させた一連の伝熱管７を蓄熱槽６内に複数個を平行に設置しており、仕切板１９a、１９ｂは伝熱管７の蛇行する面に対して平行に設置されている。この場合、仕切板１９a、１９ｂと伝熱管７とが交差することはないので、仕切板１９a、１９ｂの設置が容易となる。また蓄熱槽６の大きさや冷凍機能力が変更になった場合でも、熱交換器７の設置個数を変えることで対応できるため汎用性が高く、コストを低減することが可能となる。
【００２８】
図６は、本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図で、複数個の独立した熱交換器から構成される蓄熱用熱交換器を用いたものである。
本実施例では、直管部が垂直方向となるように蛇行させた蓄熱用熱交換器７を複数個蓄熱槽６内に設置している。この場合も仕切板１９a、１９ｂと伝熱管と７とが交差することがないので、仕切板１９a、１９ｂの設置が容易となる。なお本実施例では、蛇行する面と仕切板１９a、１９ｂとが垂直となっているが、平行に設置しても同様の効果を得ることができる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の氷蓄熱式空気調和装置によれば、伝熱管に形成されている氷が部分的に早く融解することがなく均一もしくは略均一に融解されるようにしたので、温度が均一な冷水を長時間にわたって取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る氷蓄熱式空気調和装置の実施例の系統図である。
【図２】図１の実施例における蓄熱槽の詳細斜視図である。
【図３】本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る蓄熱槽の他の実施例の断面図である。
【図４】本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図である。
【図５】本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図である。
【図６】本発明の氷蓄熱式空気調和装置に係る蓄熱槽のさらに他の実施例の断面図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…室外熱交換器、３…室内膨張弁、４…蓄熱用膨張弁、５…室内熱交換器、６…蓄熱槽、７…蓄熱用熱交換器、７a…蓄熱用熱交換器冷媒入口、７b…蓄熱用熱交換器冷媒出口、８…水、９…氷、１０…水熱交換器、１１…水ポンプ、１２…冷媒ポンプ、１３…水配管、１４、１５、１６、１７…弁、１８…冷媒、１９a、１９b、１９c…仕切板。
【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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