(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスケットタイプのプレート式熱交換器を過冷却器として用いてブラインと水とを向流で熱交換させて過冷却水を製造し、当該過冷却水を、連結管を通じて大気に触れることなく密閉系の過冷却解除器に送って氷を製造する際に、前記過冷却器に導入される０℃以上の水を一部分岐させて、当該過冷却器をバイパスして前記連結管の内壁面に対して供給する氷製造方法において、
前記プレート式熱交換器におけるブラインと水のプレート間差圧を予め調整することで、前記連結管の内壁面に対して供給される０℃以上の水の量を一定に維持することを特徴とする、氷製造方法。
【請求項２】
前記プレート式熱交換器におけるブラインと水のプレート間差圧を予め調整するにあたっては、水とブラインを過冷却水の製造に必要な流量に設定して水を循環させた状態で、プレート式熱交換器に流入するブラインの圧力調整を行ない、プレート式熱交換器内の水流路の抵抗係数が水又はブラインの圧力変動や流量変動によらず一定となるプレート間差圧に調整することを特徴とする、請求項１に記載の氷製造方法。
【請求項３】
前記プレート式熱交換器におけるブラインと水のプレート間差圧を予め調整するにあたっては、プレート式熱交換器に対する水の入口圧力よりもブラインの出口圧力を大きくするか、又はプレート式熱交換器に対する水の出口圧力をブラインの入口圧力よりも大きくすることを特徴とする、請求項１に記載の氷製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスケットタイプのプレート式熱交換器を過冷却器として用いてブラインと水とを向流で熱交換させて過冷却水を製造し、当該過冷却水を、連結管を通じて大気に触れることなく密閉系の過冷却解除器に送って氷を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
出願人は先に、密閉型の解除器で過冷却状態が解除される際の相変化が、上流側の連結管に伝播するのを防止するために、伝播防止装置として機能する連結管の内壁面に０℃以上の水の液膜を形成する氷製造方法を提案した（特許文献１）。
これによっていわゆる密閉系による過冷却解除による氷の製造において、格別の加熱エネルギーや連結管端部表面への特殊な加工を必要とせず、長期間に渡って安定して解除器から連結管への相変化の伝播を防止することができるものであった。
【０００３】
そしてかかる場合、前記過冷却器の入口側に接続される導入管から分岐して過冷却器をバイパスして、前記外部容器との間に接続されているものとすることで、別途水源を確保する必要がなく、また注水する水の温度も適したものか、あるいは加熱するにしても僅かな熱量で済むという効果が得られるものであった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０６７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで過冷却器にガスケットタイプのプレート熱交換器を採用して、注水管を過冷却器の入口側に接続される導入管から分岐して過冷却器をバイパスして連結管壁面に０℃以上の水の液膜を形成する場合、たとえばブラインの圧力が変動すると、ブラインと水との圧力差（プレート間差圧）の変化に応じてプレートの変位が生じることがある。
【０００６】
ガスケットタイプのプレート式熱交換器では、二流体（水とブライン）間の混合と外部への漏洩を防止するために、プレートの外周部と二流体間の仕切りにガスケットが使用されており、両端に位置するエンドプレートを締め付けることによってガスケットを潰し、所定のシール能を得ている。そしてガスケットは通常、プレート面同士が完全に接触する圧着力よりも小さい圧着力において所定のシール能を発揮できるように設計されているため、プレート間（プレート面上の山−谷間）には隙間が生じている。一方プレート式熱交換器に使用するプレートは、伝熱性を向上させる目的で、非常に薄い金属を波板状に加工したものが使用されている。
【０００７】
このように、プレート間に隙間があり、しかも薄い金属を波板状に加工したプレートを採用しているプレート式熱交換器においては、例えばポンプの脈動や自動バルブの開閉等によりブライン圧力や水の圧力に変動が生ずると、当該変動に応じてプレート面が膨出するなどして移動、変形して前記変位が生ずると考えられる。
【０００８】
そしてそのようにプレートの変位が生じると、前記したプレート式熱交換器をバイパスして連結管に供給される水の流量（バイパス流量）やバイパス流量比（バイパス流量と過冷却器を流れる水の流量の割合）が変化する。
【０００９】
このようなバイパス流量の変化は、連結管の内壁面に形成する０℃以上の水の液膜を不安定にするおそれがある。すなわち、パイパス管に流入する水の流量が上記プレート間差圧の変動によって増加する場合には、運転上実害は無いが、減少した場合には、下流の配管内壁に形成されるべき０℃以上の液膜が不安定になり、上流伝播抑止効果が一時的に消滅することになってしまうからである。またプレートの変位が生じる範囲内での任意のプレート間差圧の状態において、バイパス流量が所定の設計流量で運転されているとき、プレート間差圧が小さくなると、過冷却器に水が流れやすくなることで、バイパス流量は減少して所定の設計流量が維持できなくなる。
【００１０】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、過冷却器としてガスケットタイプのプレート熱交換器を採用した場合でも、前記連結管の内壁面に対して供給する０℃以上の水の量を一定に維持して、凍結伝播防止器としての機能が安定して発揮できるようにことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明によれば、ガスケットタイプのプレート式熱交換器を過冷却器として用いてブラインと水とを向流で熱交換させて過冷却水を製造し、当該過冷却水を、連結管を通じて大気に触れることなく密閉系の過冷却解除器に送って氷を製造する際に、前記過冷却器に導入される０℃以上の水、すなわちブラインと熱交換されて過冷却水を製造するための０℃以上の水を、一部分岐させて、当該過冷却器をバイパスして前記連結管の内壁面に対して供給する氷製造方法において、前記プレート式熱交換器におけるブラインと水のプレート間差圧を予め調整することで、前記連結管の内壁面に対して供給される０℃以上の水の量を一定に維持することを特徴とする、氷製造方法が提供される。
【００１２】
過冷却水を製造する場合、水及びブラインの流量は調節器によって常に一定値に保持されているため、プレートの移動が無ければプレート式熱交換器の抵抗係数および圧力損失は一定になる。しかし実際には既述したように、プレート間には隙間が存在するため、水側の圧力がブライン側の圧力よりも高いときには水側流路が広がってブライン側流路を狭め、逆にブライン側の圧力が水側の圧力よりも高いときにはブライン側流路が広がって水側流路を狭める。発明者らの知見では、プレート間差圧の絶対値が十分大きくなければプレート式熱交換器の抵抗係数はプレート間差圧によって変化し、その結果圧力損失も変化する。しかしながら、プレート間差圧がある程度十分に大きいところでは、抵抗係数が一定になるところがあることが判明した。したがって、冷却ブラインまたは水の圧力を調整して、そのような差圧の下で運転するようにすれば、圧力損失を一定にして、ポンプの脈動等によって運転中に圧力変動が変動しても、プレートの変形を抑えることができる。したがって、前記したプレート式熱交換器をバイパスして連結管に供給される水の流量（バイパス流量）やバイパス流量比（バイパス流量と過冷却器を流れる水の流量の割合）を一定に維持することが可能である。
【００１３】
前記したような差圧を調整する場合、たとえば、水とブラインを過冷却水の製造に必要な流量に設定して水を循環させた状態で、プレート式熱交換器に流入するブラインの圧力調整を行ない、プレート式熱交換器内の水流路の抵抗係数が水又はブラインの圧力変動や流量変動によらず一定となるプレート間差圧に調整すればよい。
【００１４】
そして前記プレート式熱交換器におけるブラインと水のプレート間差圧を予め調整するにあたっては、プレート式熱交換器に対する水の入口圧力よりもブラインの出口圧力を大きくするか、又はプレート式熱交換器に対する水の出口圧力をブラインの入口圧力よりも大きくすることが提案できる。
【００１５】
発明者らが検証したところでは、向流で水とブラインと熱交換する場合には、そのようにプレート式熱交換器に対する水の入口圧力よりもブラインの出口圧力を大きくするか、又はプレート式熱交換器に対する水の出口圧力をブラインの入口圧力よりも大きくすることで、プレート間差圧をプレート式熱交換器内の水流路の抵抗係数が水又はブラインの圧力変動や流量変動によらず一定となるプレート間差圧に調整することがわかった。
【００１６】
このような調整を具体的に実施するには、たとえば、ブラインの配管に密閉式膨張タンクを取り付け、当該密閉式膨張タンク内のガス圧を調整することでブラインの静圧を調整して、過冷却器に対する水の入口圧力よりもブラインの出口圧力を大きくして向流で熱交換させることや、あるいはブラインポンプの揚程を、定格流量及び配管システムの抵抗に対して大きく選定し、過冷却器のブライン出口に設置した弁を絞ることで定格流量に調整して、過冷却器に対する水の入口圧力よりもブラインの出口圧力を大きくして向流で熱交換させることや、さらには過冷却器に対する水の出口圧力が、当該過冷却器の水側損失圧力とブライン側損失圧力の和よりも高くなるように、当該過冷却器の設置位置を、過冷却器からの過冷却水によって製造された氷を蓄える氷蓄熱槽の水面よりも低い位置に設置し、過冷却器に対する水の出口圧力をブラインの入口圧力よりも大きくして向流で熱交換させることを例として挙げることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、プレート式熱交換器を用いて過冷却水を製造する際、ブラインや水に何らかの理由で圧力変動が生じても、プレートの変形を抑えて、連結管の内壁面に対して供給する０℃以上の水の量を一定に維持し、凍結伝播防止器としての機能を安定して発揮させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる氷製造方法が実施される氷蓄熱システムの全体の概要を示しており、氷蓄熱槽１から取水した水から、予熱装置２によって氷核を完全に無くした後に、ポンプ３によってプレート式熱交換器で構成された過冷却器４に水が送られる。そして当該水が、冷凍機５からポンプ６によって送られた低温のブラインと熱交換されることで、氷蓄熱槽１から取水された水は０℃以下の過冷却水となる。
【００１９】
過冷却水は、伝播防止装置７を経て、例えば密閉系の過冷却解除装置８によってスラリー状の氷水に変換され、再び氷蓄熱槽１に戻される。氷水は氷蓄熱槽１内で氷と水の比重差から分離する。このサイクルを繰り返すことで、氷蓄熱槽１内の水が氷に変換されて、冷熱が蓄熱される。過冷却器４は、図２に示すようなプレート式熱交換器が用いられている。
【００２０】
すなわちこの過冷却器４は、多数のプレート１１を、ガスケット１２を挟んで両端のエンドプレート１３、１４間に積層した構造を有し、プレート１１、ガスケット１２を貫通したシャフト１５の端部をエンドプレート１４の外側からナット１６で締め付けることによって一体化されている。そして各プレート１１の上端近傍を貫通する水流路１７からの水と、各プレート１１の下端近傍を貫通するブライン流路１８からのブラインは、各プレート１１とガスケット１２とによって形成された空間内に交互に流れており、プレート１１を介して両者が熱交換されるようになっている。
【００２１】
次に過冷却器４周りの系統について図１に戻って説明する。この過冷却器４に対しては、氷蓄熱槽１と過冷却器４との間で循環する水配管系２０と、冷凍機５と過冷却器４との間で循環するブライン配管系３０とが配管されている。この例では、向流でブラインと水とを熱交換する構成となっている。
【００２２】
水配管系２０は、水往管を構成する、過冷却器４から伝播防止装置７を経て過冷却解除装置８に向かう連結管２１と、過冷却解除装置８で過冷却状態が解除された氷・水スラリーを、氷蓄熱槽１に搬送する氷搬送管２２とを有している。またこの水配管系２０は、前記した予熱装置２、ポンプ３を介して過冷却器４に向かう水還管と２３を有している。
【００２３】
連結管２１には、過冷却器４から出るか冷却水の出口側の圧力を計測する第１の圧力計２４と前記した過冷却解除装置８が設けられている。水還管２２には、前記した予熱装置２、ポンプ３の他に、バルブ２５、水の流量を計測する流量計２６が設けられている。そして流量計２６によって計測された水の流量は、制御装置２９へと出力され、制御装置２９は、これに基づいて所定の流量値となるように、バルブ２５を制御するようになっている。
【００２４】
水配管系２０における伝播防止装置７と水還管２３との間にはバイパス管４１が設けられ、このバイパス管４１には、バイパス管４１を流れる水の流量を計測するバイパス流量計４２と、バルブ４３とが設けられている。バイパス管４１は、鋼管、硬質塩ビ管、ステンレス鋼管、銅管などの剛性の高い材料で構成されている。
【００２５】
連結管２１は、図３に示したように、連結管２１の外周を環状に覆っている外部容器４５内において空隙ｄを創出するように、軸方向に対して直角に分断され、上流側連結管２１ａと下流側連結管２１ｂとに分けられている。したがってバイパス管４１から外部容器４５内に注水されると、前記空隙ｄから連結管２１内に侵入した水は、連結管２１内の流れに沿って下流側連結管２１ｂの内壁面に沿って下流側に流れていき、下流側連結管２１ｂの内周壁には、注入された水の液膜が均一に形成されるようになっている。
【００２６】
ブライン配管系３０は、過冷却器４から冷凍機５に向かうブライン往管３１と、冷凍機５から過冷却器４に向かうブライン還管３２とを有している。ブライン往管３１には、バルブ３３、前記したポンプ６が設けられている。またブライン還管３２には、過冷却器４に流入するブラインの流量を計測する流量計３５、過冷却器４に流入するブラインの入口側の圧力を計測する圧力計３６が設けられている。そしてブライン往管３１におけるポンプ６と過冷却器４との間の配管には（すなわちポンプ６のサクション側には）、膨張タンク３７が設けられている。流量計３５によって計測されたブライン流量は、制御装置３８へと出力され、制御装置３８は、これに基づいて所定の流量値となるように、バルブ３３を制御するようになっている。
【００２７】
図１に示した氷蓄熱システムは以上の構成を有しており、次にこのシステムにおいて、圧力変動によってプレートが変形、移動しないレベルの差圧の求め方について説明する。
【００２８】
まず水とブラインの制御装置２９、３８の設定値を水とブラインを過冷却水の製造に必要な流量に設定して水を循環させ、バルブ２５を操作して水の流量を徐々に増加させ、差圧ΔＰ（すなわち各プレート１１の両面におけるブライン圧力−水の圧力の差）を徐々に下げた時の、ΔＰ（圧力計３６の計測値−圧力計２３の計測値）と、バイパス流量計４２の計測値（Ｇ１）と流量計２６の計測値（Ｇ２）の関係を記録する。計測結果は図４のグラフに、小さい○でプロット表示し、それに基づいた曲線を同図に示した。
【００２９】
図４の左縦軸は、図の右側のΔＰでＧ１／Ｇ２を定格流量（Ｇ１０／Ｇ２）に調整した後（Ｇ１０はＧ１の定格流量）、ΔＰを下げていった場合の、Ｇ１／Ｇ２の減少割合｛（Ｇ１／Ｇ２）／（Ｇ１０／Ｇ２）｝を示している。ここでは、Ｇ２（水の流量）は７００Ｌ／ｍｉｎに制御しているので、Ｇ１／Ｇ２の減少割合は「Ｇ１／Ｇ１０」の表現になる。
【００３０】
これによれば、領域（１）と領域（３）ではＧ１／Ｇ１０は変化しないが、領域（２）では差圧の変化と共にＧ１／Ｇ１０が変化することがわかる。これは、領域（２）では差圧の変動と共にプレート式熱交換器である過冷却器４内のプレートが移動、変形することを意味する。このことから、プレート間の差圧変動が起きてもプレートの移動、変形が起こらないようにするには、領域（１）と（３）内で運転圧力を選定すれば良いことがわかる。
【００３１】
すなわち、図４における領域（２）の範囲（ΔＰｍｉｎ  〜ΔＰｍａｘ）ではプレート間差圧ΔＰの変化に応じて、プレートの変位（水の流路幅）が変化し、図４におけるバイパス流量比Ｇ１／Ｇ２（過冷却器４をバイパスして連結管２１に供給される水の流量Ｇ１と、過冷却器４を流れる水の流量Ｇ２の割合）が変化する。このようなＧ１の変化は、連結管２１の内壁面に形成する０℃以上の水の液膜を不安定にする。また今、図４における領域（２）の範囲内での任意のΔＰの状態において、所定の流量（前述のようにＧ２の２〜３％程度の流量）のＧ１で運転されているとき、ΔＰが小さくなると、水の流路幅が大きくなって過冷却器４に水が流れやすくなることで、Ｇ１は減少して所定の流量が維持できなくなる。
【００３２】
このような、Ｇ１の変化が起こらないようにするためには、図４においてΔＰが変化しても、ΔＰｗ（過冷却器４に流入する水の圧力）が変化しない領域（１）または領域（３）の範囲内、すなわちΔＰｍｉｎ以下またはΔＰｍａｘ以上に運転状態を限定できるように、ブラインと水の圧力を設定すれば良い。
【００３３】
以上説明した他のプレート間差圧の決定手法は、プレート式熱交換器である過冷却器４とバイパス管４１との流量比の変化からプレートの移動、変形を観測するものである。このような測定系では、水の流路は過冷却器４とバイパス管４１並列に接続されているが、過冷却器４を構成するプレート熱交換器と、バイパス流路とを複数の絞りによって構成された一種のラビリンス流路と考えた場合、それぞれの抵抗係数ξ及び損失水頭ｈは一般に式（１）で表される。
【００３４】
すなわち、ｈｉ  ＝  ａｉ・ξｉ・ｖｉ２／２ｇ・・・（１）
ｉ＝１（バイパス管４１の流路）又は２（過冷却器４の水側流路）（ａ：無次元定数（流路の形状に応じた定数）、ｖ：流速、ｇ：重力加速度）である。
したがってバイパス管４１の損失水頭ｈ１は、
ｈ１  ＝  ａ１・ξ１・ｖ１２／２ｇ、
そして過冷却器４の水側流路の損失水頭ｈ２は、
ｈ２  ＝  ａ２・ξ２・ｖ２２／２ｇ、
となる。
【００３５】
またプレート式熱交換器の過冷却器４の入口とバイパス管４１の入口の断面積と流速をそれぞれｖ、Ａとすると、それぞれの流量Ｇは式（２）で表される。
Ｇｉ  ＝  ｖｉ・Ａｉ  ・・・（２）
ｉ＝１（バイパス管４１の流路）又は２（過冷却器４の水側流路）である。
すなわち、
バイパス管４１の流量Ｇ１は、
Ｇ１  ＝  ｖ１・Ａ１
過冷却器４の水側流路の流量Ｇ２は、
Ｇ２  ＝  ｖ２・Ａ２
となる。
【００３６】
この測定系では、プレート式熱交換器である過冷却器４とバイパス管４１の損失水頭は常に同じ（ｈ１＝ｈ２）であるため、式（１）、（２）より、式（３）が得られる。
【００３７】
【数１】
0005022155.tif 000002
【００３８】
なおプレート熱交換器の過冷却器４の入口とバイパス管４１の入口の断面積は一定であるため、式（４）に示したように、ｂは定数となる。
【００３９】
【数２】
0005022155.tif 000003
【００４０】
ここでバイパス管４１は剛性の高い材料で作られているので抵抗係数ξ１は変化しない。このため、Ｇ１、Ｇ２を計測すれば、プレート式熱交換器内のプレートの移動、変形に伴う抵抗係数ξ２の変化を検出することができる。
すなわちＧ１、Ｇ２を計測の変動は抵抗係数ξ２の変化に起因するものであり、かかる抵抗係数ξ２の変化はプレートの変形、移動が起きていることを示すものに他ならない。したがって、抵抗係数ξ２が一定の値を示すようなプレート間差圧を、過冷却器４の運転条件とし、後はその差圧運転条件にしたがって、当該氷蓄熱システムを本運転させればよい。
【００４１】
なお前記したプレート間差圧を設定するに当たっては、たとえば密閉式膨張タンク３７のガス圧を調整してブラインの静圧を調整して、過冷却器４に対する水の入口圧力よりもブラインの出口圧力を大きくしたり、ポンプ６の揚程を、定格流量及び配管システムの抵抗に対して大きく選定し、過冷却器４のブライン出口に設置した弁を絞ることで定格流量に調整して、過冷却器に対する水の入口圧力よりもブラインの出口圧力を大きくして熱交換させることが提案できる。またその他、過冷却器４に対する水の出口圧力が、当該過冷却器４の水側損失圧力とブライン側損失圧力の和よりも高くなるように、当該過冷却器４の設置位置を、氷蓄熱槽１の水面よりも低い位置に設置し、過冷却器４に対する水の出口圧力をブラインの入口圧力よりも大きくして向流で熱交換させることを例として挙げることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、ガスケットタイプのプレート式熱交換器によって過冷却水を製造し、当該過冷却水を、連結管を通じて大気に触れることなく密閉系の過冷却解除器に送って氷を製造する際に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明が実施するための氷蓄熱システムの概要を模式的に示した説明図である。
【図２】図１の氷蓄熱システムに使用したガスケットタイプのプレート式熱交換器の構成を模式的に示した説明図であり、左側の図は正面、右側の図は右側面を示している。
【図３】図１の氷蓄熱システムに使用した連結管の内部の様子を示す一部断面側面図である。
【図４】図１の氷蓄熱システムの過冷却器におけるブライン出口圧−水入口圧と、水側圧力損失およびバイパス流量／過冷却器の水流量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１    氷蓄熱槽
２、６    ポンプ
４    過冷却器
５    冷凍機
７    伝播防止装置７
８    過冷却解除装置
１１    プレート
１２    ガスケット
１５    エンドプレート
２１    連結管
２０    水配管系
２２    水還管
２４、３６    圧力計
２５、３３、４３    バルブ
２６、３５、４２    流量計
３０    ブライン配管系
３１    ブライン往管
３２    ブライン還管
３７    膨張タンク
４１    バイパス管
４２    バイパス流量計
４５    外部容器
【図１】
0005022155.tif 000004
【図２】
0005022155.tif 000005
【図３】
0005022155.tif 000006
【図４】
0005022155.tif 000007