(57)【要約】【課題】氷蓄熱装置において、熱交換器への氷のつき具合を考慮して、効率よく製氷すると共に、これにより省エネルギーを図る。【解決手段】蓄熱槽２には、板状の熱交換器３が収容されると共に水が貯留される。熱交換器３の冷媒流路７に冷媒を通して、熱交換器３の外面に製氷する。蓄熱槽２内の底部には空気供給管１９が配置されており、ブロワからの空気を噴出させる。ブロワは、熱交換器３に冷媒を循環させる冷凍装置の運転に伴い運転を開始し、熱交換器３に設定厚さの氷がつくまでは運転を継続し、それ以後は間欠的に運転する。熱交換器３に設定厚さの氷がついた後は、水を撹拌してもブロワの運転効果は薄れることを考慮した。但し、ブロワを間欠運転することで、ブロワの結露や腐食を防止すると共に、空気供給管１９の空気噴出孔２０の詰まりを防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒流路が形成された板状の熱交換器と、
この熱交換器を収容すると共に水を貯留し、前記熱交換器の冷媒流路に通される冷媒により前記熱交換器の外面に製氷して冷熱を蓄熱可能な蓄熱槽と、
前記蓄熱槽内の貯留水に空気を送り込む空気供給手段とを備え、
前記空気供給手段は、前記熱交換器に冷媒を循環させる冷凍装置の運転に伴い運転を開始し、前記熱交換器に設定厚さの氷がつくまでは運転を継続し、それ以後は間欠的に運転する
ことを特徴とする氷蓄熱装置。
【請求項２】
前記熱交換器に設定厚さの氷がつくまでの時間として、前記蓄熱槽内の水温が０℃以下になってから設定時間経過するまでとする
ことを特徴とする請求項１に記載の氷蓄熱装置。
【請求項３】
前記熱交換器につく氷の厚さを検出する氷厚センサをさらに備え、
この氷厚センサで設定厚さの氷がついたことを検出するまで、前記空気供給手段の運転を継続する
ことを特徴とする請求項１に記載の氷蓄熱装置。
【請求項４】
前記蓄熱槽内には、複数の前記熱交換器が間隔をあけて対面して配置されており、
前記空気供給手段からの空気は、隣接する前記熱交換器間の隙間の下端部に配置された空気供給管から前記熱交換器間に噴出される
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の氷蓄熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水没させた熱交換器に冷媒を通して、熱交換器の外面に製氷することで冷熱を蓄熱できる氷蓄熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、蓄熱槽（３１）内に、コイル状の熱交換器（４０）が上曲管部（４３）を水面から露出して配置されると共に、その熱交換器（４０）の下部に、エアポンプ（５２）からの空気を噴出させるエア供給管（５３）が設けられた氷蓄熱装置が開示されている。
【０００３】
この装置では、上層水温センサ（１１）の検出温度が４℃となった時点でエアポンプ（５２）の運転を開始し、１０分間に亘るエアポンプ（５２）の運転を１０分間隔で繰り返す（時刻Ａ〜Ｂ）。そして、上層水温センサ（１１）の検出温度が０℃となって水が凍結し始める時点（時刻Ｂ）以降は、製氷が完了するまで、エアポンプ（５２）の運転間隔を１０分間隔から３０分間隔に延長し、１０分間に亘るエアポンプ（５２）の運転を３０分間間隔で、繰り返す（時刻Ｂ以降）。
【０００４】
蓄熱槽（３１）内の水温が自然と平均化されるタイミングでエアポンプ（５２）の運転を開始し、更には蓄熱槽（３１）内で凍結が開始するまでの温度差の拡大しやすい状態ではエアポンプ（５２）の運転間隔を短くしているため、蓄熱槽（３１）内で凍結が開始した後において、蓄熱槽（３１）内の水温が平均化された状態を確実に維持して、氷の厚さを均一化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３４１９３６６号公報（段落番号００７５−００８６、００６４、図４、図７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１に記載の発明では、水温が４℃になるまでエアポンプは停止されると共に、熱交換器に氷がつき始める水温０℃になると、エアポンプは停止時間の長い間欠運転に移行する。ところが、熱交換器に対する水の熱伝達率は、熱交換器への氷のつき具合（氷厚）によって変化するので、これを考慮して空気の噴出を制御する必要がある。
【０００７】
つまり、熱交換器に氷がある程度つくまでは、空気供給手段（ブロワ，エアポンプ）から貯留水中に空気を導入して、貯留水を撹拌した方が氷はつきやすいが、熱交換器に氷がある程度ついた後は、貯留水を撹拌しても製氷に対する効果は薄まり、空気供給手段を駆動するためのエネルギーが無駄となる。一方で、空気供給手段を長時間停止したのでは、空気供給手段に錆付きを発生させたり、蓄熱槽内の底部における空気の噴出孔を詰まらせたりするおそれがある。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、熱交換器への氷のつき具合を考慮して、効率よく製氷すると共に、これにより省エネルギーを図ることのできる氷蓄熱装置を提供することにある。また、空気供給手段の錆付きや、空気の噴出孔の詰まりを防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、冷媒流路が形成された板状の熱交換器と、この熱交換器を収容すると共に水を貯留し、前記熱交換器の冷媒流路に通される冷媒により前記熱交換器の外面に製氷して冷熱を蓄熱可能な蓄熱槽と、前記蓄熱槽内の貯留水に空気を送り込む空気供給手段とを備え、前記空気供給手段は、前記熱交換器に冷媒を循環させる冷凍装置の運転に伴い運転を開始し、前記熱交換器に設定厚さの氷がつくまでは運転を継続し、それ以後は間欠的に運転することを特徴とする氷蓄熱装置である。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、熱交換器に設定厚さの氷がつくまでは、空気供給手段は運転を継続する。空気供給手段を作動させて蓄熱槽内の水を撹拌することで、水の熱伝達率を向上し、氷をつきやすくする。そして、熱交換器に設定厚さの氷がついた後は、水を撹拌しても空気供給手段の運転効果は薄れるので、間欠運転に切り替える。空気供給手段の停止を継続せずに間欠運転することで、停止中に空気供給手段に結露が生じたり、それにより腐食が生じたりするのを防止できる他、空気噴出孔の詰まりを防止することもできる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、前記熱交換器に設定厚さの氷がつくまでの時間として、前記蓄熱槽内の水温が０℃以下になってから設定時間経過するまでとすることを特徴とする請求項１に記載の氷蓄熱装置である。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、氷がつき始める０℃以下になってから設定時間経過するまでは空気供給手段を連続運転し、その後は空気供給手段を間欠運転することで、簡易な制御で、効率よく製氷することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記熱交換器につく氷の厚さを検出する氷厚センサをさらに備え、この氷厚センサで設定厚さの氷がついたことを検出するまで、前記空気供給手段の運転を継続することを特徴とする請求項１に記載の氷蓄熱装置である。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、氷厚センサで設定厚さの氷がついたことを検出するまでは空気供給手段を連続運転し、その後は空気供給手段を間欠運転することで、簡易な制御で、効率よく製氷することができる。
【００１５】
さらに、請求項４に記載の発明は、前記蓄熱槽内には、複数の前記熱交換器が間隔をあけて対面して配置されており、前記空気供給手段からの空気は、隣接する前記熱交換器間の隙間の下端部に配置された空気供給管から前記熱交換器間に噴出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の氷蓄熱装置である。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、空気供給管は、熱交換器の真下ではなく、隣接する熱交換器間の隙間の下端部に配置されるので、板状の熱交換器間、あるいは板状の熱交換器の外面に付着した氷間の隙間に、円滑に空気を噴出させて効果的なバブリングを行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱交換器への氷のつき具合を考慮して空気供給手段を制御することで、効率よく製氷できると共に省エネルギーを図ることができる。また、空気供給手段の錆付きや、空気の噴出孔の詰まりを防止することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の氷蓄熱装置の一実施例を示す概略縦断面図であり、正面から見た状態を示している。
【図２】図１の氷蓄熱装置の概略縦断面図であり、側面から見た状態を示している。
【図３】図１の氷蓄熱装置の右側の熱交換器群の一部を示す概略斜視図である。
【図４】図１の氷蓄熱装置の各熱交換器の概略縦断面図であり、一部を省略して示している。
【図５】図１の氷蓄熱装置の蓄熱槽内底部から貯留水中への空気供給中の状態を示す概略縦断面図である。
【図６】図１の氷蓄熱装置において、水温センサの検出温度と、ブロワの運転状態とを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の氷蓄熱装置１の一実施例を示す概略縦断面図であり、図１は正面から見た状態、図２は側面から見た状態を示している。本実施例の氷蓄熱装置１は、スタティック型で外融式の氷蓄熱装置である。
【００２０】
本実施例の氷蓄熱装置１は、水が貯留される蓄熱槽２と、この蓄熱槽２内に配置される一または複数の熱交換器３と、この熱交換器３との間で冷媒を循環させる冷凍装置４と、前記蓄熱槽２内の貯留水中に空気を送り込む空気供給手段５とを備える。そして、冷凍装置４を運転して、熱交換器３の外面に製氷した後、冷凍装置４を停止して、蓄熱槽２内の冷水を冷水使用設備６で使用する。
【００２１】
蓄熱槽２は、その形状を特に問わないが、本実施例では角形、言い換えれば中空の直方体形状とされている。蓄熱槽２内には、熱交換器３が配置されると共に、その熱交換器３を水没させるまで水が貯留される。
【００２２】
本実施例では、蓄熱槽２には、貯留水の温度を検出する水温センサ（図示省略）が設けられる。但し、この水温センサに代えてまたはこれに加えて、熱交換器３の外面につく氷の厚さを検出する氷厚センサ（図示省略）を設けてもよい。この氷厚センサは、熱交換器３の冷媒流路７の箇所につく氷の平均厚さを検出可能な位置に設けられる。
【００２３】
熱交換器３は、本実施例では、板状とされ、蓄熱槽２内に複数枚設けられる。具体的には、蓄熱槽２内には、複数の熱交換器３，３，…からなる熱交換器群８，８が左右に設けられ、各熱交換器群８の各熱交換器３は、その板面を前後に向けて、所定間隔をあけて対面して配置されている。各熱交換器３は、その形状や大きさを含めた構成が互いに同一とされている。なお、左右の熱交換器群８の間には、人が入ることのできる空間９が設けられている。
【００２４】
図３は、蓄熱槽２内の右側の熱交換器群８の一部を示す概略斜視図であり、また図４は、各熱交換器３の概略縦断面図であり、一部を省略して示している。
熱交換器３は、冷凍装置４からの冷媒が通される冷媒流路７を備えれば、その構成を特に問わないが、本実施例では、具体的には次のようにして形成される。すなわち、まず、二枚の板材１０，１０を重ね合わせて、外周端面において全周を溶接する。そして、予め板面に形成しておいた口部１１から真空引きして、板材１０，１０間の隙間を減圧した後、板材１０，１０間の隙間を減圧保持した状態で、板材１０の外周部よりも内側の板面において、板材１０，１０同士を溶接して、膨出部１２と非膨出部１３とに分ける。この際、板材１０の外周端辺よりも内側の領域で、溶接部１４に囲まれた領域として膨出部１２を形成する。また、膨出部１２の内側の領域に、口部１１が配置されるように溶接がなされる。その後、口部１１から適宜の流体を膨出部１２へ圧入して、膨出部１２において板材１０，１０同士の隙間を開けるように、膨出部１２を膨出変形する。
【００２５】
膨出部１２は、その形状を特に問わないが、本実施例では、図３に示すように、板面の上部から下部にかけて、左右に蛇行して形成されている。より具体的には、左右方向に沿う直線状部が上下に等間隔に配置されると共に、上下に隣接する直線状部同士が左右互い違いに半円形状部で接続された形状に形成されている。そして、このようにして蛇行して形成される膨出部１２の長手方向両端部（図３の右上部と右下部）には口部１１が設けられており、この口部１１は冷媒配管１５に接続される。さらに、膨出部１２は、蛇行した冷媒流路７の両端部を除いて、幅方向を溶接により適宜、複数（図示例では三つ）に仕切られている。
【００２６】
熱交換器３は、蓄熱槽２内に水没された状態で使用され、膨出部１２には冷凍装置（コンデンシングユニット）４からの冷媒が膨張弁（図示省略）を介して通される。この際、好ましくは、上方の口部１１が冷媒入口とされる一方、下方の口部１１が冷媒出口とされる。このようにして、冷媒を熱交換器３の上方から下方へ通すことで、冷媒に溶け込んでいる圧縮機の潤滑油が熱交換器３内に溜まるのを防止することができる。
【００２７】
冷凍装置４を運転することで、熱交換器３の外面で製氷することができる。そして、製氷後には、蓄熱槽２内の水は、冷水使用設備６で使用可能とされる。図示例では、蓄熱槽２からの冷水が冷水使用設備６で使用された後、蓄熱槽２に戻される例を示しているが、場合により、蓄熱槽２からの冷水を冷水使用設備６で使用後、使い捨ててもよい。その場合、蓄熱槽２内には、適宜、給水されるのがよい。
【００２８】
なお、典型的には、電気料金の安い夜間電力を用いて、冷凍装置４を運転して、蓄熱槽２内の水を熱交換器３の外面で凍結させる。この際、蓄熱槽２内の水のすべてが凍結される訳ではなく、各熱交換器３の外面についた氷同士は、互いにつながらないのが好ましい。そして、昼間には、蓄熱槽２内の冷水を冷水使用設備６において利用する。冷水使用設備６は、特に問わないが、たとえば空調設備または食品機械である。
【００２９】
図５は、蓄熱槽２内の底部から貯留水中への空気供給中の状態を示す概略縦断面図である。この図に示すように、冷凍装置４を運転して、蓄熱槽２内で熱交換器３の外面に製氷する際、および、製氷後に蓄熱槽２内の冷水を冷水使用設備６にて使用する際、空気供給手段５を運転して、蓄熱槽２内の水の撹拌を図るのが好ましい。空気供給手段５は、本実施例ではブロワ１６であるが、場合によりエアポンプでもよい。以下の説明では、空気供給手段５はブロワ１６であるとして説明するが、エアポンプである場合も同様である。
【００３０】
ブロワ１６は、蓄熱槽２内からの水の逆流を確実に防止するために、好ましくは蓄熱槽２の上部に配置される。そして、ブロワ１６は、逆止弁１７や適宜の配管１８を介して、蓄熱槽２の底部に設けられた空気供給管１９に接続されている。
【００３１】
空気供給管１９は、断面円形または断面矩形のパイプから構成されてもよいが、本実施例では、下方へ開口した断面コ字形状材から構成され、その両端面は板材で塞がれている。いずれにしても、空気供給管１９は、蓄熱槽２内の底部において、左右方向へ沿って配置されている。
【００３２】
空気供給管１９には、左右方向等間隔に空気の噴出孔２０が形成されている。よって、ブロワ１６からの空気は、空気供給管１９を介して、前後の熱交換器３，３間の隙間に排出され、気泡の上昇により蓄熱槽２内の水の対流を図ることができる。
【００３３】
空気供給管１９は、各熱交換器３の真下に設置してもよいが、本実施例では、隣接する前後の熱交換器３，３間（および所望により前後両端部の熱交換器３と蓄熱槽２の壁との間）の隙間の前後方向中央部に設置される。いずれの場合も、空気供給管１９は、熱交換器３の下端辺と平行に、且つ熱交換器３の下端辺と同等の高さに配置される。また、空気供給管１９は、蓄熱槽２に対し着脱可能であるのが好ましい。
【００３４】
空気供給管１９を熱交換器３の真下ではなく、前後の熱交換器３，３間の隙間に配置しておけば、板状の熱交換器３，３間、あるいは板状の熱交換器３の外面に付着した氷Ｉ，Ｉ間の隙間に、円滑に空気を噴出させて効果的なバブリングを行うことができる。また、空気供給管１９を熱交換器３の真下ではなく、前後の熱交換器３，３間の隙間に配置しておけば、空気供給管１９の着脱作業や清掃を行いやすい。
【００３５】
図６は、本実施例の氷蓄熱装置１において、水温センサの検出温度と、ブロワ１６の運転状態とを示す概略図である。
熱交換器３の外面への製氷時、ブロワ１６は冷凍装置４の運転に伴い運転を開始する。つまり、氷蓄熱装置１の運転を開始すると、冷凍装置４およびブロワ１６の運転が開始される。これにより、熱交換器３の冷媒流路７に冷媒が通され、熱交換器３の外面での製氷が行われる。
【００３６】
この際、ブロワ１６は、熱交換器３に設定厚さの氷がつくまでは運転を継続し、それ以後は間欠的に運転する。熱交換器３に設定厚さの氷がついたか否かは、熱交換器３の所定箇所において氷厚センサにより直接に氷厚を計測して把握してもよいが、より簡易には、蓄熱槽２内の水温と経過時間とにより間接的に把握してもよい。つまり、蓄熱槽２内の水温が０℃以下になると氷がつきはじめるので、その時点（つまり蓄熱槽２内の水温が０℃以下になった時点）から設定時間経過するまではブロワ１６の運転を継続し、その後、間欠運転に切り替えればよい。
【００３７】
具体的には、冷凍装置４の運転開始に伴い運転を開始したブロワ１６は、蓄熱槽２内の水温が０℃以下になったことを検出すると、その時点から設定時間Ａ（たとえば１時間）が経過するまで運転を継続し、設定時間Ａ経過後、運転を停止する。その後、ブロワ１６は、一定時間Ｂ（たとえば１０分）の停止と、所定時間Ｃ（たとえば１分）の運転とを繰り返す。これは、所定の終了条件を満たし、製氷工程が終了するまで繰り返される。
【００３８】
そして、このようにして熱交換器３の外面に製氷した氷の冷熱を利用しようとする際には、冷凍装置４の運転を停止した状態で、ブロワ１６を連続運転させて、蓄熱槽２内から冷水使用設備６へ冷水を取り出せばよい。
【００３９】
本実施例によれば、熱交換器３に設定厚さの氷がつくまでは、ブロワ１６は運転を継続するので、蓄熱槽２内の水を撹拌することで、水の熱伝達率を向上し、氷をつきやすくする。そして、熱交換器３に設定厚さの氷がついた後は、水を撹拌してもブロワ１６の運転効果は薄れるので、間欠運転に切り替える。間欠運転することで、省エネルギーを図りつつ、ブロワ１６への結露やそれによる腐食、さらには空気供給管１９の空気の噴出孔２０の詰まりを防止することができる。
【００４０】
なお、これら一連の制御は、図示しない制御器によりなされる。つまり、制御器は、冷凍装置４、ブロワ１６、水温センサおよび氷厚センサなどに接続されており、予め設定された手順（プログラム）に従い、各センサの検出信号や経過時間などに基づき、冷凍装置４やブロワ１６などを制御する。
【００４１】
本発明の氷蓄熱装置１は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。
たとえば、前記実施例では、熱交換器３に設定厚さの氷がついたことを、蓄熱槽２内の水温が０℃以下になってから設定時間経過することで把握して、その時点までブロワ１６を連続運転したが、熱交換器３につく氷の厚さを検出する氷厚センサを用いて、この氷厚センサで設定厚さ（冷媒流路の箇所でたとえば５〜１０ｍｍ）の氷がついたことを検出するまで、ブロワ１６を連続運転させてもよい。
【００４２】
さらに、前記実施例では、製氷後、蓄熱槽２内の冷水を直接に冷水使用設備６へ送って冷熱を利用する例について説明したが、蓄熱槽２内の水を外部熱交換器との間で循環させ、この外部熱交換器において、冷水と他の流体との熱交換を図ってもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１  氷蓄熱装置
２  蓄熱槽
３  熱交換器
４  冷凍装置
５  空気供給手段
６  冷水使用設備
７  冷媒流路
１６  ブロワ
１９  空気供給管
２０  噴出孔
【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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