(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却用熱交換器を内包した凍結器と、同凍結器内の液体を撹拌すべく同凍結器の底部内に設けられた撹拌器と、上記凍結器内の液温を計測する温度計と、上記凍結器にポンプ付き配管を介して接続されるとともに内部に採冷熱用熱交換器を内包した融解器と、同融解器の底部内に水平に張設されたメッシュとを備えるとともに、上記凍結器にバルブ付き配管および水溶液ポンプを介して接続された水溶液タンクと、上記凍結器にバルブ付き配管および融解水ポンプを介して接続された融解水タンクと、上記融解器の底部を上記水溶液タンクに接続するバルブ付き配管と、上記融解器の底部を上記融解水タンクに接続するバルブ付き配管とが設けられ、上記融解器が上記凍結器から離隔した冷熱需要地に設置されるとともに、上記の凍結器と融解器とを接続するポンプ付き配管の外周に保冷層が装着されて、同ポンプ付き配管を通じて上記凍結器から上記融解器へアイススラリーの送給が行われるように構成されており、上記水溶液タンクから上記凍結器内へ水溶液を供給すべく上記水溶液ポンプを制御するとともに上記温度計からの検出信号に応じ上記凍結器内の水溶液の濃度を調整すべく上記融解水ポンプによる上記凍結器内への送水を自動制御する制御系が設けられたことを特徴とする、ダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水溶液の凍結により生じる氷晶を、アイススラリーとしてダイナミック型氷蓄熱に用いるとともに、その冷熱を需要地まで移送できるようにしたダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
夏期の電力需要の昼夜間格差を平準化するための手段として、夜間の余剰電力による氷蓄熱手段が有効とされているが、水溶液を凍結させ、生成した氷晶をアイススラリーとして冷熱需要地まで輸送することのできるダイナミック型氷蓄熱装置は、純水を凍結させるため冷却面上に氷晶が付着して輸送することのできないスタティック型氷蓄熱装置に比べて、氷晶生成時の冷却性能やシステムの小型化などの点で優れているものの、水溶液の凍結の進行に伴う濃度上昇によって凍結温度が徐々に低下するため、これに伴い冷凍機の成績係数が低下し、氷晶生成の所要電力が大きくなるという欠点が指摘されてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、水溶液の凍結の進行に伴う濃度上昇を、適切な水の補給により効率よく抑制して、冷凍機の成績係数の低下を防止し、ひいては氷晶生成のための所要動力の低減を図るとともに、その冷熱を需要地まで移送できるようにしたダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明のダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置は、冷却用熱交換器を内包した凍結器と、同凍結器内の液体を撹拌すべく同凍結器の底部内に設けられた撹拌器と、上記凍結器内の液温を計測する温度計と、上記凍結器にポンプ付き配管を介して接続されるとともに内部に採冷熱用熱交換器を内包した融解器と、同融解器の底部内に水平に張設されたメッシュとを備えるとともに、上記凍結器にバルブ付き配管および水溶液ポンプを介して接続された水溶液タンクと、上記凍結器にバルブ付き配管および融解水ポンプを介して接続された融解水タンクと、上記融解器の底部を上記水溶液タンクに接続するバルブ付き配管と、上記融解器の底部を上記融解水タンクに接続するバルブ付き配管とが設けられ、上記融解器が上記凍結器から離隔した冷熱需要地に設置されるとともに、上記の凍結器と融解器とを接続するポンプ付き配管の外周に保冷層が装着されて、同ポンプ付き配管を通じて上記凍結器から上記融解器へアイススラリーの送給が行われるように構成されており、上記水溶液タンクから上記凍結器内へ水溶液を供給すべく上記水溶液ポンプを制御するとともに上記温度計からの検出信号に応じ上記凍結器内の水溶液の濃度を調整すべく上記融解水ポンプによる上記凍結器内への送水を自動制御する制御系が設けられたことを特徴としている。
【０００５】
上述のように、ダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置において凍結器と融解器とが別個に設けられて相互にポンプ付き配管を介し接続されている場合、氷蓄熱の際に、まず水溶液タンクから水溶液ポンプにより凍結器内に水溶液の供給が行われて、冷却用熱交換器による凍結作用と撹拌器による撹拌作用とにより氷晶を含むアイススラリーが凍結器内に生成されるようになるが、その際、温度計による上記凍結器内の液温の計測値に応じて、制御系により、凍結温度の低下を招かないように、上記融解水タンクから、先の採冷熱時に貯溜しておいた融解水を融解水ポンプによって凍結器内に補給する自動制御が行われるので、上記アイススラリーの生成が効率よく行われるようになる。
【０００６】
そして、冷熱需要地における採冷熱時には、上記融解器における上記採冷熱用熱交換器が用いられるが、その際、上記アイススラリーに含まれる水溶液は、予めメッシュにより濾過されて水溶液タンク内に貯溜され、このようにして残留した氷晶は上記採冷熱交換器により融解して融解水タンクに貯溜されるので、上記の水溶液および融解水は繰返し使用することができる。
【０００７】
また、凍結器と融解器とが、外周に保冷層を装着されたポンプ付き配管を介して接続されるので、冷熱の需要地が上記凍結器から大幅に離隔していても、上記ポンプ付き配管の外周に十分な保冷層を装着することにより、同配管を通じてアイススラリーの送給を適切に行うことが可能になる。
【０００８】
一般に、水溶液の凍結による濃度上昇とそれに伴う凍結温度の低下は、水溶液を用いるダイナミック型氷蓄熱装置固有の総合性能劣化要因として広く認識されており、これを回避する方策としては、(1) 使用する水溶液初期濃度を薄くする、(2) 生成させる氷晶量を低く制限するなどの消極的・対症療法的な手段が採られている。しかし、前者はダイナミック型氷蓄熱装置を実現するための鍵となるアイススラリー（溶液と氷晶の混合物：流動性のある氷晶）の生成を難しくし、氷晶生成のための新たな技術開発とエネルギーが必要になるという問題を抱えている。また後者は、冷熱蓄熱容器中の氷晶割合の低下、すなわち冷熱貯蔵量の低下を引き起こすため、ダイナミック型氷蓄熱装置のメリットを打ち消しかねない危険をはらんでいる。
【０００９】
現在、水溶液の凍結に伴う濃度上昇によって引き起こされる問題を解決する具体的な技術は確立されておらず、それゆえにダイナミック型氷蓄熱装置の普及が遅れている。上述のように、水溶液の凍結を用いるダイナミック型氷蓄熱装置の性能劣化要因は、水溶液の凍結に伴う溶質濃縮効果に基づいている。
【００１０】
本発明では、この現象を逆に利用してダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置の性能劣化を抑制している。すなわち、水溶液を凍結させると溶質濃縮効果によって水溶液の濃度が上昇する一方、ほとんど溶質を含まない氷晶が生成する。この氷晶を採冷熱時に融解するとほぼ純水が得られるので、これを保存しておき、蓄冷熱時に水溶液にこの純水を加えながら凍結させれば、水溶液濃度を一定に保つことができる。これが本発明の原理である。
本発明の最大の特徴は、水溶液を凍結させる際に自然に生じる溶質濃縮効果を利用して、特別な付加装置やエネルギーの投入なしに凍結温度の低下に伴うダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置の性能劣化を抑制できることにある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施形態について説明すると、図１は本発明の一実施形態としての装置を模式的に示す説明図であり、図２は本発明の装置を用いた場合の冷凍機の成績係数を示すグラフ、図３は従来技術による氷蓄熱装置の特性を示すグラフ、図４は本発明によるダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置の特性を示すグラフ、図５は本発明と従来技術とについて総合成績係数を比較して示すグラフである。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態では、冷却用熱交換機２を内包した凍結器１と採冷熱用熱交換器４を内包した融解器３とが個別に設けられて、両者１，３はポンプ15付き配管16を介して接続されている。そして、凍結器１の内部の水溶液５の温度を計測する温度計14が設けられるほか、凍結器１の内部の液体を撹拌できるように、同凍結器１の底部には撹拌器13が設けられている。
【００１３】
また、凍結器１の底部には、バルブ９ａ付き配管９Ａおよび水溶液ポンプ11を介して水溶液タンク７が接続されるとともに、バルブ10ａ付き配管10Ａおよび融解水ポンプ12を介して融解水タンク８が接続されている。
【００１４】
一方、融解器３の内部には採冷熱用熱交換器４が設けられるほか、同融解器３の底部内には水平に張設されたメッシュ６が装備されている。
そして、融解器３の底部も、バルブ９ｂ付き配管９Ｂを介して水溶液タンク７に接続されるとともに、バルブ10ｂ付き配管10Ｂを介して融解水タンク８に接続されている。
【００１５】
さらに、温度計14からの検出信号に応じて凍結器１の内部の水溶液（一般的な塩類あるいはエチレングリコールなどの水溶液）の濃度を調整できるように、融解水ポンプ12による融解水タンク８から凍結器１内への送水を自動制御するための制御系17が設けられている。
【００１６】
このようにして、本実施形態では、冷却用熱交換器２を内包する凍結器１に水溶液タンク７から水溶液ポンプ11により水溶液を入れて、冷却用熱交換器２により凍結器１内に氷晶を含むアイススラリーを生成してゆく際に、凍結器１内の凍結温度をほぼ一定に保持できるように、凍結器１の内部に、凍結温度の低下に応じて水の補給が行われるが、この水として、先の採冷熱時に融解器３内の氷晶を融解させて得た融解水が、融解水タンク８から融解水ポンプ12によって補給される。
なお、凍結器１および融解器３や水溶液タンク７，融解水タンク８および配管類は、すべて外面に図示しない防熱層が施されている。
【００１７】
上述のダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置では、凍結器１と融解器３とが別個に設けられ、相互にポンプ15付き配管16を介して接続されているが、氷蓄熱の際に、まず水溶液タンク７から水溶液ポンプ11により凍結器1内に水溶液の供給が行われて、冷却用熱交換器2による凍結作用と撹拌器13による撹拌作用とにより氷晶を含むアイススラリーが凍結器１内に生成されるようになる。その際、温度計14による凍結器１内の液温の計測値に応じて、凍結温度の低下を招かないように、融解水タンク８から、先の採冷熱時に貯溜しておいた融解水を、融解水ポンプ12によって凍結器１内に補給する自動制御が、制御系17により行われるので、撹拌器13の作動と相まって上記アイススラリーの生成が効率よく行われるようになる。
【００１８】
そして、凍結器１からポンプ15付き配管16を介しアイススラリーが融解器３へ送られた後、同融解器３で採冷熱を行う際には、融解器３における採冷熱用熱交換器４が用いられるが、その際、上記アイススラリーに含まれる水溶液は、予めメッシュ６により濾過されて水溶液タンク７内に貯溜され、このようにして融解器３内に残留した氷晶は採冷熱用熱交換器４により融解して融解水タンク８に貯溜されるので、上記の水溶液タンク７内の水溶液および融解水タンク８内の融解水は繰返し使用することができる。
【００１９】
また、凍結器１と融解器３とが、外周に保冷層を装着されたポンプ15付き配管16を介して接続されるので、融解器３の設置される冷熱需要地が凍結器１から大幅に離隔していても、同配管16を通じてアイススラリーの送給を冷熱の損失を伴うことなく行うことが可能になる。
【００２０】
さらに、凍結器１内の液温を検出する温度計14からの検出信号に応じて、凍結器１内の水溶液濃度を調整するため、同凍結器１内への融解水ポンプ12による送水が制御系17により自動的に行われるようになっており、この制御系17は図１に示すごとく水溶液ポンプ11の制御も行えるように構成されているので、このダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置の運転管理が、きわめて効率よく的確に行われるようになる。
【００２１】
次に、実際の冷凍機の効率（成績係数：ＣＯＰ）と蒸発器温度（冷却温度）との関係（図２参照）を用いて、従来技術に基づくダイナミック型氷蓄熱装置と、本発明による氷蓄熱装置とを比較してみると、装置に蓄えられる冷熱量と冷凍機所要動力、ならびに溶液の濃度変化、凍結温度の変化を理論的に予測した結果は、図３，図４に示すとおりである。
【００２２】
図３および図４に見られるように、従来技術に基づくダイナミック型氷蓄熱装置では、蓄冷熱量の増加、すなわち溶液中の氷晶濃度の増加に伴って溶液濃度が上昇し、それによる凍結温度の低下が冷凍機の効率の低下を招く結果、冷凍機所要動力が極端に大きくなっていることがわかる。これに対して、本発明による氷蓄熱装置では、溶液濃度と凍結温度とが一定に保たれるため、冷凍機所要動力の極端な増加が無く、蓄冷熱量にほぼ比例した動力を冷凍機に投入することで蓄冷が行える。ただし本発明による氷蓄熱装置では、採冷熱時に水溶液の持つ冷熱を放散することになるため、採冷熱量は蓄冷熱量より若干減少するが、その差は図５に示すとおりごく僅かであり、実用上は問題にならない。
【００２３】
氷蓄熱装置としての性能を直接比較するために、従来技術による氷蓄熱装置と本発明による氷蓄熱冷熱移送装置との蓄熱後における回収可能な冷熱量を、それに要する冷凍機駆動動力で除した総合成績係数を求め、蓄冷熱量（溶液内の氷晶濃度）に対してプロットした結果を図５に示す。このグラフに示されるように、本発明による氷蓄熱冷熱移送装置は、溶液単位質量あたりの冷熱貯蔵量が少ないうちは前述の冷熱損失の影響で従来技術によるものよりも性能が劣るが、蓄冷熱量が増加すると従来技術によるものの性能を凌ぎ、特に高蓄熱量領域において性能が低下しない点が特徴的である。
【００２４】
上述のように、本発明によれば、水溶液を用いるダイナミック型氷蓄熱装置に不可避と考えられてきた氷晶の生成に伴う水溶液の濃縮による凍結温度の低下とそれによる冷凍機効率の低下を、特別な装置の付加や新たなエネルギーの投入なしに回避することができ、氷蓄熱装置の高性能化と普及とを通して、夏期の電力需要のピークカットに資することができるものと期待される。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置によれば次のような効果が得られる。
(1) ダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置において凍結器と融解器とが別個に設けられて相互にポンプ付き配管を介し接続されており、氷蓄熱の際に、まず水溶液タンクから水溶液ポンプにより凍結器内に水溶液の供給が行われるが、この水溶液供給のための水溶液ポンプの制御は制御系によって適切に行われる。そして、冷却用熱交換器による凍結作用と撹拌器による撹拌作用とにより氷晶を含むアイススラリーが凍結器内に生成されるようになるが、その際、温度計による上記凍結器内の液温の計測値に応じて、凍結温度の低下を招かないように、上記融解器に接続された融解水タンクから、先の採冷熱時に貯溜しておいた融解水を、融解水ポンプによって上記凍結器内に補給する制御が、上記温度計に接続された制御系により自動的に行われるので、上記撹拌器による撹拌作用と相まって上記アイススラリーの生成が効率よく適切に行われるようになる。そして、冷熱需要地における採冷熱時には、上記融解器における採冷熱用熱交換器が用いられるが、その際、上記アイススラリーに含まれる水溶液は、予めメッシュにより濾過されて上記水溶液タンク内に貯溜され、このようにして残留した氷晶は上記採冷熱交換器により融解して融解水タンクに貯溜されるので、上記の水溶液および融解水は繰返し使用することができる。また、上記の凍結器と融解器とは保冷層を装着されたポンプ付き配管を介して接続されるので、同融解器を設置される冷熱需要地が上記凍結器から大幅に離隔していても、上記ポンプ付き配管の外周に十分な保冷層を装着することにより、同配管を通じてアイススラリーの送給を冷熱の損失を伴うなく行うことが可能になる。
(2) 凍結器内の液温を検出する温度計からの検出信号に応じて、凍結器内の水溶液濃度を調整するため、同凍結器内への融解水ポンプによる送水が制御系により自動的に行われるようになっているので、このダイナミック型氷蓄熱冷熱移送装置の運転管理が効率よく行われるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態としてのダイナミック型氷蓄熱装置を模式的に示す説明図である。
【図２】  本発明の装置の性能を従来技術に基づく装置の性能と比較する際に用いた冷凍機の成績係数を示すグラフである。
【図３】  従来技術による氷蓄熱装置の特性を示すグラフである。
【図４】  本発明によるダイナミック型氷蓄熱装置の特性を示すグラフである。
【図５】  本発明と従来技術とについて総合成績係数を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
１  凍結器
２  冷却用熱交換器
３  融解器
４  採冷熱用熱交換器
５  水溶液
６  メッシュ
７  水溶液タンク
８  融解水タンク
９ａ，９ｂ  バルブ
９Ａ，９Ｂ  配管
10ａ, 10ｂ  バルブ
10Ａ，10Ｂ  配管
11  水溶液ポンプ
12  融解水ポンプ
13  撹拌器
14  温度計
15  ポンプ
16  配管
17  制御系
【図１】
0003893462.tif 000002
【図２】
0003893462.tif 000003
【図３】
0003893462.tif 000004
【図４】
0003893462.tif 000005
【図５】
0003893462.tif 000006