優良省エネルギー設備顕彰事例①
新設設備部門 譛省エネルギーセンター会長賞

流下液膜式凍結濃縮装置 ［ FREECIS ］
設備所有者：京セラミタ㈱ 玉城工場
設備施工者：新日本空調㈱
○

建物の概要
名

称

京セラミタ㈱玉城工場

所 在 地

三重県度会郡玉城町野篠704-19

概

建家

要

地上４階

延床面積 5,744m2
構造

S造

用途

工場

1．技術開発の目的と経過
氷蓄熱装置は、電力の昼夜間負荷の平準化を目的として、昼間の冷房用熱源のために安価な夜間

建物外観電力を使用して水を氷に相変化させて蓄熱するが、利用温度（７℃）に対して蓄熱温度（０℃）
が低いことによる熱源機のCOPの悪化や、熱ロス等の理由のために省エネルギーな装置ではない。
一方、溶液が凍結する際に、氷中には溶質が取り込まれず、溶液中に排除されながら氷結晶が成長する事が知られており、この自然現象を積極的に利用して、水溶液中から水分を氷として抜き取ることによって水溶液を濃縮していくのが凍結濃図1

浸管式と流下液膜式の概念図

縮手法である。
そこで当社では、独自方式の流下液膜式氷蓄熱結濃縮装置の開発経過について説明する。

装置を利用して、溶液の凍結濃縮が可能な装置の開発を行った。その結果、本装置では従来の氷蓄（1）流下液膜式氷蓄熱装置

熱装置の機能を保持しながら、排水を減容化するスタティック型のアイスオンコイル方式であることが可能となり、システム全体の省エネルギーが、従来の浸管式と違い製氷コイルを水槽の上部、を達成するとともに、省コスト、環境負荷低減に空中に設置しているところが構造的特徴である。

も貢献する。

概念図を図1に示す。氷蓄熱槽内の空中に配置し次に本開発の原型である流下液膜式氷蓄熱装た製氷コイル表面に、槽頂部から散水した水が、置、凍結濃縮技術について説明し、流下液膜式凍コイル表面を液膜状態となって流れる過程で、製8

冷凍空調設備2008年４月15日号

氷および解氷を行う。この際の製氷コイルおよび①排水の減容化

氷の表面熱伝達率が、浸管式アイスオンコイル方排水容量を10％に濃縮、減容することにより、式に比較して10倍程度大きいために、製氷および省エネルギー、環境負荷低減に貢献するとともに解氷特性に優れた氷蓄熱装置である。

排水処理費用も削減する。

10時間解氷でも、３時間解氷においてもその特②氷蓄熱としての冷熱利用性は変わらずに安定した低温度送水を可能として昼間には氷蓄熱装置として、夜間製氷した氷をいる。これが流下液膜式氷蓄熱装置の最大の特徴

冷房等の熱源として使用することで昼間の電力負である。

荷を下げることができる。

納入実績は福岡県・小倉記念病院、沖縄県・安波ダム事務所、東京都・早稲田大学理工学部などである。

③安価な夜間電力利用
氷蓄熱装置と同様に、電力会社と蓄熱調整契約を結ぶことで、安価な夜間電力が適用され、ランニングコストが安価となる。

（2）流下液膜式凍結濃縮装置④解氷水の再利用

流下液膜式凍結濃縮装置の概要を図2に示す。

冷熱利用した後の解氷水は清浄水となっている

本装置の基本構造は流下液膜式氷蓄熱装置と同様ために、工業用水などとして再利用が可能となる。

で、製氷コイル上部から散水を行い製氷を行う。

⑤濃縮水の有価物回収

この際、原水の90％を製氷することが可能なため、原水は10分の1まで濃縮減容される。流下液膜式

排水の成分によっては濃縮することにより有価物回収が可能となるものもある。

凍結濃縮装置は、前進凍結法に分類され純粋な氷が伝熱面からゆっくり成長し、凍結界面に押し出2．設備・システムの概要された溶質分を上部からの散水によって洗浄する（1）システム構成

ことで清浄氷を成長させる。
（図3）

・流下液膜式凍結濃縮装置は、図4、5に示すように、製氷コイル、ブラインチラー、ブラインポンプ、排水槽、回収水槽、排水循環ポンプ、清水循環ポンプ、熱交換器と切替バルブ、配管、自動制御盤などから構成される。
・製氷コイルは外径約15mmのSUSあるいは銅製で隣の氷と一体にならない（ブリッジングを生じない）間隔（約80mm）に千鳥状に配置している。
・上部の散水パンは孔径８ミリの多孔板として均

図2

流下液膜式凍結濃縮装置の概要

一に散水が可能な構造としている。
（2）運転方法
・運転はタイマーにより各運転モードを切り替えて運転する。各運転モードは下記である。
①排水補給：排水を装置内排水槽へ所定量汲み上げる。
②製氷濃縮：図4に示すように、氷蓄熱装置と同様に、22時から翌朝8時の割安な夜間電力を使用して、排水中の純粋な水だけを凍結させて、排水

図3

流下液膜式前進凍結法

2008年４月15日号

を十分の一に凍結濃縮する。排水冷凍空調設備9中の水分は清浄氷として製氷コイ（3）納入システム

ル表面に凍結する。

工場から出る排水を一旦既設の排水槽で貯留③濃縮水排出：10分の1に濃縮した濃縮排水を外し、毎日汲み上げて排水を凍結濃縮分離する。濃部濃縮水槽へ排出する。
④洗浄

縮水は濃縮排水槽へ排出し、定期的に産業廃棄物：氷表面および装置内壁面に付着し処理する。氷を用いて工場内冷房を行い、解氷水た濃縮排水を清水（解氷水）によは製造装置の冷却水として再利用する。（図6）

り洗浄する。
⑤解氷：図5に示すように、昼間には氷蓄ブラインチラー

熱装置として熱交換器を介して冷凍結濃縮コイルユニット

装置側

製造エリア
４F

熱利用しながら清浄氷を融解する。
⑥解氷水排出：解氷水を再利用水として排出する。
２F

解氷水タンク

排水タンク

コンプレッサー室

１F
既設排水槽②
既設コンプレッサー

活性炭充填塔

既設冷却塔
既設排水槽①

図6

図4

システムフロー

夜間蓄熱・凍結濃縮運転

流下液膜式凍結濃縮装置外観（4）流下液膜式凍結濃縮装置FREECISの概略仕様

図5

昼間放熱・解氷・リサイクル運転

・蓄氷量は排水槽および回収水槽に設けられた水処理量

m3/日

123

610

製氷量kg

900

1,800

2,700

5,400

9,000
3,014

蓄熱量

MJ

301603904

1,808

冷却能力

kW

817255084動力kW9.415.5

25.2

43.3

63.5

装置概観
（参考寸法）

L

4,000

6,000

8,000

11,000

8,000

W

3,000

3,000

3,000

3,500

10,000

H

3,000

3,000

3,000

3,000

3,000

位センサーにより換算して、製氷時には製氷量の監視、解氷時には残氷量を監視して氷が融け残らない制御を行う。
10冷凍空調設備

2008年４月15日号

濃縮排水槽

3．着想
［背景および実情］（2）試算
産業廃棄物の排水が、同装置を導入することに氷蓄熱装置の主目的は昼間の電力負荷の夜間移より、1/10に減容することができる。排水を1/10行であり、電力会社の料金体系によりランニングにすることにより、排水を産業廃棄物としてガスコストを抑えることが可能であるが、一方消費エ燃料で焼却するエネルギーが削減され、省エネル

ネルギーは、利用温度７℃程度に対して氷0℃でギーとなる。

蓄熱するために冷凍機のCOPが悪くなることや、試算値（排水10m3／日を排出する工場）

補機動力の増加、熱ロスなどの影響で氷蓄熱装置単体では省エネルギーにはならない。そこでシス

流下液膜式凍結濃縮装置
排水焼却エネルギー（MJ）

2,841MJ

テムの省エネルギー化のため大温度差空調などの電力エネルギー（使用電力量）

5,578MJ検討が行われている。また、氷蓄熱装置は各社

・ 凍結濃縮482kWh

様々な方式で開発されているが、採用の実態とし・ 氷蓄熱の放熱75kWh・ 濃縮排水量（１m3/日）の処分用補機

10kWhてはコスト勝負となっている面が大きい。従って弊社の流下液膜式氷蓄熱装置はその解氷特性は優・ 濃縮排水量相当の上水処理

0.5kWh１次エネルギー計

8,419MJれているが、コストが高いことで採用実績が伸び従来システム（非蓄熱空冷チラー）悩んでいるのが現状であった。
［着眼点］
そこで、水から氷の相変化を利用して溶液中の純粋な水だけを氷にすることにより溶液を凍結濃縮することが可能であることがわかっていたので、弊社の流下液膜式氷蓄熱装置を利用して凍結濃縮への応用開発が進められた。

排水焼却エネルギー

28,411MJ

電力エネルギー（使用電力量）

3,214MJ

・ 非蓄熱の空冷チラー

222kWh・ 排水量（10m3/日）の処分用補機

100kWh・ 排水量相当の上水処理

5kWh

１次エネルギー計

31,625MJ

約59％の省エネルギー効果がありました（3）試算結果

１次エネルギー削減量：31,625−8,419＝23,602MJ、［新規性］

削減率73.4％

流下液膜式氷蓄熱装置はその構造が凍結濃縮するのに適していることで開発を可能にした。その特徴とは下記の通りである。

（4）納入事例での省エネルギー効果は約59％でした。

・氷の上から散水しながら製氷を行う。（凍結界面の物質移動が大きいため清浄氷を生成で5．投資回収（省マネー）

きる）

（1）試算

・氷と水が分離されている。
（空中で製氷する）

流下液膜式凍結濃縮装置の経済性は、その評価・IPF（保有水量に対する製氷量の割合）が90％範囲を4．効果（省エネルギー）と同様とし、10m3／と非常に高い（十分の一までの濃縮が可能）日の産業廃棄物排水が排出されている工場に、本装置を導入した場合を想定した。

4．効果（省エネルギー）

注）納入事例ではなく一般的な例として計算する。

（1）評価の範囲
製造工程用水として用いた上水が産業廃棄物の排水10m3／日となって排出されている工場に、氷蓄熱と排水減容の目的で流下液膜式凍結濃縮装置を導入した場合を想定する。なお、試算は1日当たりの電力量で評価する。
注）納入事例ではなく一般的な例として計算する。

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冷凍空調設備11

7．環境保全、便利性等

試算値

流下液膜式凍結濃縮装置

環境負荷の排出量

イニシャルコスト

60,000,000円

ランニングコスト

6,702,800円/年

・ 電力料金（昼間）

256,000円/年

排出原単位

・ 電力料金（夜間）621,800円/年

排水焼却 ガス使用量

・ 排水処理費用

CO24,500,000円/年

・ 上水削減量▲675,000円/年

・ 装置保守費用

2,000,000円/年

電力

本システム

2.29kg-CO2/m3

2.29kg-CO2/m3

631m3/日

63m3/日排出量1445kg-CO2/日

144kg-CO2/日

排出原単位0.339kg-CO2/kWh

0.339kg-CO2/kWh

電力使用量327kWh/日

567.5kWh/日

排出量111kg-CO2/日

192kg-CO2/日

合計単位量

従来システム

25RT

1556kg- CO2/日

336kg- CO2/日

62.2- CO2/日RT

13.4- CO2/日RT

従来システム
イニシャルコスト

4,000,000円

ランニングコスト

45,757,900円/年

・ 電力料金757,900円/年

8．工夫した点、発想した点、創作した点、新しい点等、設備の特徴

45,000,000円/年

従来の氷蓄熱装置にはダイナミック方式、スタイニシャル増：60,000,000円−4,000,000円＝56,000,000円
ランニング減：45,757,900円−6,702,800円＝39,055,100円/年

ティック方式共に各社多くの方式があるが、いず・ 排水処理費用（2）試算結果

れも冷熱源装置としてのみ使用されていた。
一方、流下液膜式凍結濃縮装置は、独自技術の氷蓄熱装置でありながら、産業プロセス排水などの濃縮、減容機能と、解氷水のリサイクル機能を単純投資回収年数：56,000,000円÷39,055,100円＝1.43年有し、多機能で高付加価値の装置であるところに、新規性と創造性がある。
また、他の凍結濃縮装置と比較して、凍結濃縮（3）納入事例での単純投資回収年数は約3.4年でした。

機能と氷蓄熱・放熱機能が一体化された装置で、氷と濃縮水が必然的に分離される、シンプルな構造、容易な制御方法であることにも、新規性と創6．他の建物への応用性
氷蓄熱装置と排水処理装置の融合であるため、造性がある。
本装置の優れている点は下記である。

導入する際は下記の条件を満足する必要がある。
工場が主なターゲットであるが、その他用途の建①制御が簡単物でも下記条件を満足すれば適用可能である。

ブラインチラーは、冷凍能力と製氷コイル（伝①年間を通じて排水が排出されていること。

熱面積）とのバランスにより成り行き運転をする

排水を原水として製氷を行うため、排水が排出ため、複雑な制御は不要でチラーの運転効率も良されている建物である必要がある。

い。

また、その排水成分は凍結濃縮が可能な成分及②濃縮倍率の確認が簡単

び濃度である必要がある。
②年間を通じて冷熱利用先があること。
凍結濃縮した際の氷を融解するための冷熱利用先（空調、装置冷却）が必要となる。
③年間を通じて解氷水の再利用先があること。
清浄な解氷水を再利用する用途がある方が良い。ない場合は下水放流となる。

圧力素子で計測した水槽水位の変化で製氷量が把握できるため、濃縮倍率の確認が簡単に行える。
③製氷状態の確認が簡単
空中の製氷コイルで製氷するため点検口から製氷状態の確認が簡単に行える。
④冷熱利用が簡単
氷蓄熱として解氷特性に優れた散水外融式であるので低温冷水を有効に利用可能である。

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冷凍空調設備2008年４月15日号

⑤メンテナンスが簡単
製氷コイルと水槽、ポンプ、配管で構成される
シンプルな構造のためメンテナンスが容易で定期的な散水パン、水槽などの清掃でよい。

・地域冷暖房プラント
・ホテルなど3）その他
食品の濃縮用途として、香り、フレーバーの劣化無しに濃縮が可能なため、高価な薬品やだ

9．市場性、販売状況、適応市場の大きさ、競合品またはシステムとの比較、販売実績等［市場性］
流下液膜式凍結濃縮装置市場には下記のものがある。
1）産業関連し等の液状食品の濃縮需要がある。
［競合品との比較］
排水減容装置として、Ａ社の凍結濃縮装置がある。Ａ社の装置は懸濁結晶法で、生成した氷粒を成長させた後、洗浄コラムで氷結晶と濃縮液とを各種生産工程で産業プロセス排水を生じ、高分離する方法である。高濃度排水にも適用が可能

価な産業廃棄物処分費用を必要とし、冷房、冷とされているが、装置構造が複雑で装置価格が非却などの冷熱負荷のある工場。

常に高いと言われている。

なお、比較的低濃度（１％以下）の下記の排当社の流下液膜式凍結濃縮装置FREECISは凍結水が適用可能である。

濃縮と濃縮水の分離、氷蓄熱と放熱が一体化され・医薬品工場排水た装置であり、比較的需要の多い希薄な排水を対・メッキ排水

象に濃縮水を分離し、氷の冷熱利用も容易である。

・現像液排水・精密機械工場のトナー排水・機械製造ラインの洗浄排水など
2）民生関連冷却塔ブロー水や、その他の排水を大量に下10．その他
特許
・特許第3681153号

・特許第3690797号 凍結濃縮方法およびその水道放流し、その補給水として上水を使用し、年間に冷熱負荷がある施設。

2008年４月15日号

凍結分離装置装置

・特開2000-334442

凍結分離装置冷凍空調設備13