(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水をシャーベット状の氷にすることにより蓄熱を行なうダイナミック氷蓄熱装置において、
冷水、氷水、過冷却水、及び空調設備戻り水が流れる系統の材料として、少なくともアルミニュウム、亜鉛及び珪素の化合物が水に溶出しない材料、または亜鉛のメッキが施されていない鋼材を用いたことを特徴とするダイナミック氷蓄熱装置。
【請求項２】
前記冷水、氷水が流れる系統に前記化合物を検出するセンサーを取り付け、このセンサーで検出された前記化合物の濃度が所定値以上となったとき、水質清浄器を自動的に作動させることを特徴とする請求項１に記載のダイナミック氷蓄熱装置。
【請求項３】
蒸発器のチューブ側に付着した析出物を洗浄する逆洗系統を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のダイナミック氷蓄熱装置。
【請求項４】
蓄熱運転終了前後の蓄熱槽内の冷水を水質清浄器に循環させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のダイナミック氷蓄熱装置。
【請求項５】
蓄熱槽から冷水を吸引し蒸発器に至る配管系に遠心分離器を設け、この遠心分離器により前記冷水中に浮遊する氷粒を分離することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のダイナミック氷蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイナミック氷蓄熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、夜間電力により水を凍らせて蓄熱し、この熱エネルギを昼間の空調設備等に利用することにより、昼夜の電力の平準化を図るようにしたダイナミック氷蓄熱装置が使用されつつある。
【０００３】
一般的に、水は０℃以下になると凍結して氷になるものと考えられているが、条件によって０℃以下となっても凍結せず水の状態を保つ現象があり、これを過冷却状態という。この場合、純水をゆっくりと時間をかけて冷却すれば、−１５℃以下の過冷却水も生成可能である。
【０００４】
水の過冷却状態は、固体（氷）と液体（水）の平衡状態であり、この状態の維持はクラスタ（水分子集団）の大きさに依存する。水に不純物が溶解していると、その不純物成分が水中で水分子と結合して形成される水和クラスタが増大し、クラスタサイズを大きくして限界過冷却度（過冷却状態が解除される温度）を低下させる要因となる。
【０００５】
ダイナミック氷蓄熱はこの現象を活用するものであり、熱交換器で水を過冷却状態とし、これに衝撃を与え過冷却状態を解除してシャーベット状の氷水を生成し、氷蓄熱槽に貯蔵する方式の蓄冷システムを構成する。
【０００６】
図３は、従来のダイナミック氷蓄熱装置の概略構成図である。このダイナミック氷蓄熱装置は、ダイナミック氷蓄熱槽１の槽本体２内の冷水３をストレーナ４を介して吸い込み管５から冷水循環ポンプ６で吸引し、前置ヒーター７及びフィルター８を経由して冷水３を冷凍機の蒸発器９で−１．５℃程度にまで過冷却して過冷却水１７を生成する。
【０００７】
そして、この過冷却水１７をダイナミック氷蓄熱槽１上部の送給ノズル１８から噴出して衝突板１９に衝突させると、当該過冷却水１７は衝撃を受けて過冷却状態が解消され、その一部（１から２％）が氷粒、残りは０℃の水となり、結果としてシャーベット状の氷水２０に変化する。この運転を継続すると、ダイナミック氷蓄熱槽１内の氷水２０の氷の比率が増加し、約４０％とすることができる。
【０００８】
蓄熱した冷熱の回収は、蓄熱槽１の槽本体２内底に配置した吸い込み管２１から、冷水３または氷水２０を冷水循環ポンプ２２で吸引して負荷である空調設備２３へ送給し、空調設備２３で熱交換された空調設備戻り水２４をダイナミック氷蓄熱槽１の上部散水管２５から蓄熱槽１上部の氷水２０へ散水する循環系で実施する。
【０００９】
ターボ式の冷凍機は、ターボ式の冷媒圧縮機３１で圧縮した高温高圧の冷媒ガス３２を、凝縮器３３で冷却水等と熱交換させて凝縮液化させ冷媒液３４とし、この高圧の冷媒液３４を膨張弁３５を介して蒸発器９に送給し、沸騰蒸発させ、冷水３と熱交換させて過冷却水１７を生成し、蒸発した低圧の冷媒ガス３７を、再び冷媒圧縮機３１に戻す循環系で構成されている。
【００１０】
この冷凍機の蒸発器９は、シェル１０内に供給された冷媒液３４を冷媒液循環ポンプ３８で汲み上げてスプレー３６からチューブ１３に散布することにより、チューブ１３内を流通する冷水３を冷却して過冷却水１７とする、スプレー式のシェルアンドチューブ型となっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したようなダイナミック氷蓄熱装置では、蒸発器９で冷水３から過冷却水１７を生成し、これに衝撃エネルギーを与えてシャーベット状の氷水２０を得るが、蒸発器９のチューブ１３内で過冷却状態が解除されチューブ１３内で凍結し閉塞することにより、蓄熱運転の継続ができなくなることがあり、安定な運転が行なえない。これが従来のダイナミック氷蓄熱装置の最大の欠点となっている。
【００１２】
蒸発器９のチューブ１３内で過冷却状態が解除される原因としては、以下の点があげられる。
【００１３】
１）冷水３及び氷水２０系統の水の不純物により過冷却限界が低下し、蒸発器９内で過冷却水１７の過冷却解除が発生する。
【００１４】
実験の結果、アルミニュウム及び亜鉛の化合物がある濃度（５から１０ｐｐｍ）以上となると、これが珪素化合物を凝縮させスケールとなり、氷核を形成し過冷却状態を解除することになることが判明した。
【００１５】
２）氷蓄熱槽上部で生成した氷水２０の氷粒の径は小さく、０．１ｍｍから１．０ｍｍ程度であり、氷と水の浮力差では容易に分離できず、比較的容易に吸い込み管５より吸引され蒸発器９に流入する。蒸発器９に流入した氷核は急激に成長し、チューブ１３を閉塞することとなる。
【００１６】
この対策として、冷水３が蒸発器９に流入する前に、前置ヒーター７により冷水３を０．３から０．５℃まで昇温して、氷粒を完全に解凍する。さらに、フィルター８を設けて氷粒が蒸発器９に流入しないようにしているが、この方式はシステムの効率を低下させるので好ましくない。
【００１７】
本発明の目的は、蒸発器内での凍結閉塞の発生を防止し、安定した運転が可能なダイナミック氷蓄熱装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明のダイナミック氷蓄熱装置は以下の如く構成されている。
【００１９】
（１）本発明のダイナミック氷蓄熱装置は、水をシャーベット状の氷にすることにより蓄熱を行なうダイナミック氷蓄熱装置において、冷水、氷水、過冷却水、及び空調設備戻り水が流れる系統の材料として、少なくともアルミニュウム、亜鉛及び珪素の化合物が水に溶出しない材料、または亜鉛のメッキが施されていない鋼材を用いている。
【００２０】
（２）本発明のダイナミック氷蓄熱装置は上記（１）に記載の装置であり、かつ前記冷水、氷水が流れる系統に前記化合物を検出するセンサーを取り付け、このセンサーで検出された前記化合物の濃度が所定値以上となったとき、水質清浄器を自動的に作動させる。
【００２１】
（３）本発明のダイナミック氷蓄熱装置は上記（１）または（２）に記載の装置であり、かつ蒸発器のチューブ側に付着した析出物を洗浄する逆洗系統を設けている。
【００２２】
（４）本発明のダイナミック氷蓄熱装置は上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の装置であり、かつ蓄熱運転終了前後の蓄熱槽内の冷水を水質清浄器に循環させる。
【００２３】
（５）本発明のダイナミック氷蓄熱装置は上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の装置であり、かつ蓄熱槽から冷水を吸引し蒸発器に至る配管系に遠心分離器を設け、この遠心分離器により前記冷水中に浮遊する氷粒を分離する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係るダイナミック氷蓄熱装置の概略構成図である。図１において図３と同一な部分には同符号を付し、その説明を省略する。
【００２５】
図１に示すダイナミック氷蓄熱装置では、冷水３、氷水２０、過冷却水、及び空調設備戻り水２４が流れる系統の材料として、アルミニュウム、亜鉛及び珪素の化合物が水に溶出するおそれのないステンレススチール、プラスチック（塩化ビニールを含む）を、また鋼材使用の場合は亜鉛メッキが施されていない材料（いわゆる黒ガス管）を採用している。
【００２６】
本装置では、冷水３、氷水２０系統に、アルミニュウム、亜鉛及び珪素（けい素）の化合物を検出する装置である水質センサー４２を取り付け、この水質センサー４２により検出された前記化合物の濃度があらかじめ定められた値以上となったとき、自動弁４３を開とすることにより、イオン交換樹脂方式の水質清浄器（不純物除去装置，水質改善装置）４１を自動的に作動させる。
【００２７】
また、蒸発器９のチューブ側（チューブ内面）に付着した析出物（アルミニュウム、亜鉛及び珪素の化合物が含まれている可能性が高い）を定期的に洗浄するために、逆洗系統を設けている。
【００２８】
本装置では、逆洗用動力源として冷水循環ポンプ６を運転し、蒸発器入り口水室入り口弁４４、蒸発器出口水室出口弁４５、蒸発器入り口水室戻り弁４６、蒸発器出口水室出入り口弁４７、蓄熱槽冷水遮断弁４８、自動弁４３を開閉して、逆洗水を水質清浄器４１に流す。
【００２９】
蓄熱運転が終了すると、蓄熱槽１内の水は約４０％が氷となり、残りの冷水の不純物濃度は最も高くなる。これは、理論的に氷は不純物を含まないためである。この現象を利用して、蓄熱運転終了前後の蓄熱槽１内の冷水３を水質清浄器４１（不純物除去装置，水質改善装置）に通すようにする。このため、蒸発器９におけるチューブ１３の逆洗用弁の一部を使用する。
【００３０】
本装置では、蓄熱槽２から冷水３を吸引し蒸発器９に至る配管系に遠心分離器５０を設け、冷水３中に浮遊する氷粒を分離して蒸発器９へ氷粒が流入しないようにしている。遠心分離器５０下部からの配管では、氷粒が分離濃縮された戻り水によりオリフィス５２を経由して冷水循環ポンプ６の吸い込み口に戻される。なお遠心分離器とは、流体を回転させて遠心力を発生させることで、流体に浮遊している粒子を効果的にかつ短時間で分離するものである。
【００３１】
球状粒子の沈降または浮昇速度は次のストークスの式により求められる。
【００３２】
Ｖ＝１／１８／ν×ｄｓ2×ｇ×（ρｓ／ρ−１）
ここで
Ｖ  ；沈降または浮昇速度
ν  ；動粘性係数
ｄｓ；球状粒子の直径
ｇ  ；重力の加速度
ρｓ；粒子の密度
ρ  ；流体の密度
である。
【００３３】
球状粒子が沈降するか浮昇するかは、粒子の密度ρｓが流体の密度ρに比し大きいか小さいかで決まり、速度Ｖが正であれば沈降、負であれば浮昇となる。氷は水に比し約７％密度が小さく、浮昇することとなる。遠心分離器では、上記式のｇ（重力の加速度）が遠心力に置き換えられ数十倍から数百万倍になることが可能となり、効果的な分離が行なえる。
【００３４】
図１において水質清浄器４１は、イオン交換樹脂等を充填している。自動弁４３を開とすると、循環ポンプ６で昇圧された冷水３の一部（１０から５０％）が、水質清浄器４１を通過して清浄化され、循環ポンプの吸い込みへオリフィス５２を経由して流入する。
【００３５】
水質センサー４２は、冷水の不純物濃度を化学的に監視するものであり、図１では省略しているが、不純物濃度があらかじめ設定した値以上となると自動的に水質清浄器４１を運転する構成をなしている。
【００３６】
蒸発器９の冷水／過冷却水側の逆洗は、蒸発器入り口水室入り口弁４４、蒸発器出口水室出口弁４５、及び蓄熱槽冷水遮断弁４８を全閉とし、蒸発器入り口水室戻り弁４６、蒸発器出口水室入り口弁４７、及び自動弁４３を全開として、循環ポンプ６を運転して実施する。なお、蒸発器９の逆洗の運転は、夜間の蓄熱運転中でなければ実施できる。
【００３７】
蓄熱運転が終了したら、自動弁４３及び蒸発器出口水室入り口弁４７を開とし、蒸発器入り口水室入り口弁４４を閉とすることにより、蓄熱槽１、吸い込み管５、冷水循環ポンプ６、自動弁４３、水質清浄器４１、蒸発器出口水室入り口弁４７、蒸発器出口水室出口弁４５、送給ノズル１８、及び衝突板１９で形成される循環系を構成することができ、冷水循環ポンプ６を規定の時間（１時間から数時間）運転すれば、不純物濃度の高い冷水３の浄化を効果的に実施できる。
【００３８】
図２の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ上記遠心分離器５０の構成例を示す図である。図２の（ａ）は基本的な遠心分離器（サイクロンとも称する）の正面断面図（左側）と平面断面図（右側）である。遠心分離器胴５１は縦型円筒構造をなす。遠心分離器入り口管５３からの冷水３は、遠心分離器旋回ノズル５６から遠心分離器胴５１へ流入し矢印の方向へ旋回する。冷水３は旋回することにより遠心力を受け、先に説明したストークスの式により流体中の氷粒が遠心分離器胴５１の中心軸近傍に集合し、遠心分離器排出管５５から排出される。氷粒が分離除去された冷水３は、遠心分離器出口管５４から蒸発器９へ流入する。
【００３９】
図２の（ｂ）は遠心分離器の正面断面図であり、遠心分離器旋回ノズル５６を複数個とし、分離効率を向上している。環状のノズル分配管５９が設けられているが、機能上の構成は図２の（ａ）と変わらない。
【００４０】
図２の（ｃ）は遠心分離器の正面断面図であり、流体（冷水３）の旋回流を形成するために遠心分離器旋回ノズルでなく遠心分離器旋回羽根車５７を設けており、この羽根車５７は、電動機等により駆動させる。この場合、遠心分離器５０は遠心分離器出口管５４及び遠心分離器排出管５５を遠心分離器胴５１の中心軸からの偏心量により流入する圧力より昇圧でき、ポンプ機能を持たせることができる。
【００４１】
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施できる。
【００４２】
（実施の形態のまとめ）
実施の形態に示された構成及び作用効果をまとめると次の通りである。
【００４３】
実施の形態に示されたダイナミック氷蓄熱装置は、冷水３、氷水２０、過冷却水１７及び空調設備戻り水２４が流れる系統の材料として、アルミニュウム、亜鉛及び珪素の化合物が水に溶出しないステンレススチール、プラスチック（塩化ビニール）、または亜鉛のメッキが施されていない鋼材を採用する。
【００４４】
また、冷水３、氷水２０系統にアルミニュウム、亜鉛及び珪素の化合物を検出するセンサーを取り付け、これらの化合物の濃度があらかじめ定められた値以上となったときイオン交換樹脂方式の水質清浄器４１を自動的に作動させる。また、蒸発器９のチューブ１３側（チューブ内面）に付着した析出物（アルミニュウム、亜鉛及び珪素の化合物が含まれている可能性が高い）を定期的に洗浄するため逆洗系統を設ける。
【００４５】
蓄熱運転が終了すると、蓄熱槽１内の水は約４０％が氷となり残りの冷水の不純物濃度は最も高くなる。これは理論的に氷は不純物を含まないためである。この現象を利用して蓄熱運転終了後の冷水３を不純物除去装置に通すようにする。さらに、蓄熱槽１から吸引し蒸発器９に至る配管系に遠心分離器５０を設け、冷水中に浮遊する氷粒を分離して蒸発器９へ氷粒が流入しないようにする。
【００４６】
上記ダイナミック氷蓄熱装置によれば、蒸発器９のチューブ１３が蓄冷運転中に凍結閉塞するおそれが解消される。さらに、水質清浄器４１による不純物除去により過冷却水の過冷却度を低く設定できるので、冷水３及び過冷却水の系統をコンパクトに設計し製作することができる。
【００４７】
また、遠心分離器５０により蒸発器９に流入する氷粒をゼロとすることができ、従来採用されていた前置ヒーター７及びフィルター８を不要とするか、たとえ採用してもそれらの機能を大幅に低下させ設備コストを低減することができる。さらに、図２の（ｃ）に示す旋回羽根車付きの遠心分離器５０を採用した場合は、冷水循環ポンプを不要とすることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のダイナミック氷蓄熱装置によれば、冷水、氷水、過冷却水、及び空調設備戻り水が流れる系統の材料として、少なくともアルミニュウム、亜鉛及び珪素の化合物が水に溶出しない材料、または亜鉛のメッキが施されていない鋼材を用いているため、蒸発器内での凍結閉塞の発生を防止し、安定した運転が可能になる。
【００４９】
本発明のダイナミック氷蓄熱装置によれば、水質清浄器による不純物除去により過冷却水の過冷却度を低く設定できるので、冷水及び過冷却水の系統をコンパクトに設計し製作することができる。
【００５０】
本発明のダイナミック氷蓄熱装置によれば、蒸発器のチューブ側に付着した析出物を定期的に洗浄することができる。
【００５１】
本発明のダイナミック氷蓄熱装置によれば、効果的な冷水及び氷水系の浄化を自動的に実施することができる。
【００５２】
本発明のダイナミック氷蓄熱装置によれば、冷水中に浮遊する氷粒を分離して、蒸発器へ氷粒が流入しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るダイナミック氷蓄熱装置の概略構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係る遠心分離器の構成例を示す図。
【図３】従来例に係るダイナミック氷蓄熱装置の概略構成図。
【符号の説明】
１…ダイナミック氷蓄熱槽
２…槽本体
３…冷水
４…ストレーナ
５…吸い込み管
６…冷水循環ポンプ
７…前置ヒーター
８…フィルター
９…蒸発器
１０…シェル
１１…入り口水室
１２…出口水室
１３…チューブ
１７…過冷却水
１８…送給ノズル
１９…衝突板
２０…氷水（シャーベット状）
２１…吸い込み管（熱回収空調用）
２２…冷水循環ポンプ
２３…空調設備
２４…空調設備戻り水
２５…散水管
３１…冷媒圧縮機
３２…冷媒ガス（高圧）
３３…凝縮器
３４…冷媒液
３５…膨張弁
３６…スプレーノズル（冷媒液用）
３７…冷媒ガス（低圧）
３８…冷媒液循環ポンプ
４１…水質清浄器
４２…水質センサー
４３…自動弁
４４…蒸発器入り口水室入り口弁
４５…蒸発器出口水室出口弁
４６…蒸発器入り口水室戻り弁
４７…蒸発器出口水室入り口弁
４８…蓄熱槽冷水遮断弁
４９…オリフィス
５０…遠心分離器
５１…遠心分離器胴
５２…オリフィス
５３…遠心分離器入り口管
５４…遠心分離器出口管
５５…遠心分離器排出管
５６…遠心分離器旋回ノズル
５７…遠心分離器旋回羽根車
５９…ノズル分配管
【図１】
0004395218.tif 000002
【図２】
0004395218.tif 000003
【図３】
0004395218.tif 000004