JP4388155B2

JP4388155B2 - 氷蓄熱式冷水供給装置

Info

Publication number: JP4388155B2
Application number: JP02890199A
Authority: JP
Inventors: 敬司山本; 正則森元
Original assignee: Shikoku Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Building Techno Service Co Ltd
Current assignee: Shikoku Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Building Solutions Corp
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2019-02-05
Also published as: JP2000230731A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は氷蓄熱式冷水供給装置に関し、特に、氷蓄熱槽内の水を外部に供給し、該氷蓄熱槽内の水位が変動する氷蓄熱式冷水供給装置における氷量検出技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力需要の増大に伴い、昼夜間の電力負荷の格差が拡大傾向にある。かかる格差を平準化する技術として氷蓄熱式空調システムが注目されている。
【０００３】
かかるシステムでは、夜間電力で氷蓄熱槽内に氷を作っておき、昼間にその氷を解凍しつつ、建物等の冷房を行う。この際、システムの効率的運転制御や、氷蓄熱槽内の製氷用熱交換器の過剰着氷等を防止するため、氷蓄熱槽内の氷量をリアルタイムに算出する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
氷蓄熱槽内の氷量を算出する方法としては、製氷用熱交換器に成長する氷の厚さを検知し、それに基づいて着氷の全体量を算出する方法がある。しかしながら、製氷用熱交換器に成長する氷の厚さは必ずしも一定とはならないため、この方法では氷量を正確に算出することはできない。
【０００５】
また、別の方法としては、氷蓄熱槽内の水量が一定であることを前提に、水と氷との比体積差から生じる水位変化を検知し、それに基づいて着氷の全体量を算出する方法がある。しかしながら、この方法では、氷蓄熱槽内の水（又は海水等）を外部に供給して、槽内の水位が変動（開回路）する形式のシステムには適用できないという問題がある。
【０００６】
さらに別の方法としては、特開昭６２−１６２８３８号公報に開示された氷蓄熱式熱源装置の蓄熱量検出装置のように、着氷によって変化する製氷用熱交換器の浮力をロードセルにより計測し、その計測値を元に氷量を算出する方法がある。しかしながら、この方法もまた、氷蓄熱槽内の水位が一定であることを前提としており、氷蓄熱槽内の水を外部に供給して、槽内の水位が変動する形式のシステムには適用できない。
【０００７】
たとえば、上記従来技術において、氷蓄熱槽の水位が製氷用熱交換器の最下部よりも下にある場合、製氷用熱交換器に着氷があったとしても、ロードセルには浮力が検出されることはない。したがって、氷蓄熱槽内の水位が変動する形式のシステムにおいては、この方法を用いても、氷量を正確に算出することはできないのである。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、氷蓄熱槽の外部に冷水を供給して槽内の水位が変動する場合であっても、槽内の氷量を好適に算出することのできる氷蓄熱式冷水供給装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る氷蓄熱式冷水供給装置は、製氷用熱交換器及び該製氷用熱交換器を保持するフレームを備え、蓄熱槽内に設けられる製氷ユニットと、前記製氷用熱交換器の着氷による前記製氷ユニットの上下動を規制する上下動規制手段と、前記製氷ユニットの総重量を検出する重量検出手段と、前記蓄熱槽の水位を検出する水位検出手段と、前記蓄熱槽内の氷量を一定と仮定した場合における前記蓄熱槽の水位の変化と前記製氷ユニットの総重量の変化との関係を複数通りの氷量ごとに求めて記憶した記憶手段と、実際に検出された前記蓄熱槽の水位および前記製氷ユニットの総重量を前記記憶手段に記憶された関係に照らし合わせて氷量を算出する氷量算出手段と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、他の氷蓄熱式冷水供給装置は、氷片を捕獲する氷片捕獲網及び該氷片捕獲網を保持するフレームを備え、蓄熱槽内に設けられる集氷ユニットと、前記氷片捕獲網に氷片が捕獲されることによる前記集氷ユニットの上下動を規制する上下動規制手段と、前記集氷ユニットの総重量を検出する重量検出手段と、前記蓄熱槽の水位が前記氷片捕獲網よりも上か否かを検出する水位検出手段と、前記水位検出手段により前記蓄熱槽の水位が前記氷片捕獲網よりも上であると検出される場合に、前記フレームの重量に基づいて前記氷片捕獲網に捕獲される氷片の量を算出する氷量算出手段と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る氷蓄熱式冷水供給装置の一態様では、前記重量検出手段はロードセルを含んで構成され、該ロードセルは前記蓄熱槽の開口周縁部に取り付けられ、前記フレームは前記ロードセル上に載置されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る氷蓄熱式冷水供給装置の一態様では、前記上下動規制手段は、前記フレームを前記ロードセルに対して付勢するフレーム付勢手段を含むことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る氷蓄熱式冷水供給装置の全体構成を示す図である。同図において、氷蓄熱槽２８は合成樹脂と断熱材で形成された槽体であり、内部には製氷用熱交換器２６が設けられている。また、氷蓄熱槽２８の底部にはエアノズル２２が配されており、エアポンプ３０から供給されるエアが吹き出すことにより、氷蓄熱槽２８内の水を攪拌するようになっている。
【００１５】
さらに、氷蓄熱槽２８の上部には散水ノズル２０が配されている。この散水ノズル２０には、ろ過装置１２、原水供給ポンプ１４、及びストレーナ１６がこの順で接続されており、汲み上げられた原水が散水ノズル２０から吹き出し、氷蓄熱槽２８に貯水されるようになっている。
【００１６】
氷蓄熱槽２８の底部には排水管が接続されており、冷水供給ポンプ２４により氷蓄熱槽２８内の水が必要に応じて外部に排水されるようになっている。すなわち、この冷水供給ポンプ２４の前方には三方弁１８が取り付けられており、その切り替えにより、槽内の冷水は図示しない外部の冷熱機器に供給され、或いは散水ノズル２０に供給される。後者のように槽内の水を散水ノズル２０に供給することにより、エアポンプ３０による場合と同様、氷蓄熱槽２８内の水を攪拌することができる。
【００１７】
製氷用熱交換器２６には、ブラインクーラ３４及びブラインポンプ３２が直列に接続されている。そして、ブラインクーラ３４で生成される低温ブラインは、ブラインポンプ３２によって蛇管状の製氷用熱交換器２６に送り込まれ、製氷用熱交換器２６の周囲に氷を成長させることができるようになっている。
【００１８】
かかるブラインクーラ３４による製氷処理は、基本的には夜間、電力消費の少ない時間帯に行われる。そして、昼間の空調負荷等の大きい時に解氷しつつ、外部に冷水を供給する。
【００１９】
図２は、氷蓄熱槽２８の製氷及び解氷処理を説明する図である。同図（ａ）に示すように、当初氷蓄熱槽２８には散水ノズル２０から供給される原水により満たされている。そして、夜間等の電力負荷の小さな時間帯にブラインクーラ３４が駆動され、同図（ｂ）に示すように、製氷用熱交換器２６の周囲に氷３６が成長する。
【００２０】
その後、昼間等の空調負荷の大きい時間帯に冷水供給ポンプ２４が駆動され、同図（ｃ）に示すように、氷蓄熱槽２８内の氷温の冷却水が外部に放出される。その後、再び散水ノズル２０から原水が槽内に散布され、同図（ｄ）に示すように、氷蓄熱槽２８は原水で満たされることになる。この場合、散水ノズル２０から供給される原水は氷温以上であるため、同図（ｅ）に示すように、製氷用熱交換器２６の周囲に成長した氷３６の一部は融解することになる。この氷３６の融解により氷蓄熱槽２８内の水は再び氷温に低下する。
【００２１】
その後は、昼間等の空調負荷の大きい時間帯に、必要に応じて再び冷水供給ポンプ２４が駆動され、内部の氷温の冷却水が外部に放出される。そして、放出した分を補充するため、再び散水ノズル２０から原水が供給される。
【００２２】
この場合、製氷用熱交換器２６の周囲に成長した氷３６は、すでに一部が解氷している。このため、無作為に大量の原水を氷蓄熱槽２８に供給すれば、氷３６をすべて解氷したとしても、氷蓄熱槽２８内の原水を再び氷温まで下げることができない場合が起こりうる。
【００２３】
このため、本氷蓄熱式冷水供給装置１０では、あらゆる水位において槽内の氷量をリアルタイムに算出しており、その氷量に基づいて散水ノズル２０からの給水量を制御している。その他にも、本発明に基づいて算出される氷量は、例えばブラインクーラ３４の駆動制御等にも用いられる。
【００２４】
図３は、氷蓄熱槽２８の構成を示す図である。同図に示すように、氷蓄熱槽２８の底部及び上部にはパイプが通され、そこに水位センサ４６が取り付けられている。この水位センサ４６の出力は制御器３８に供給されている。この制御器３８は、例えばマイクロコンピュータ等を含んで構成されるものである。なお、同図では図１における散水ノズル２０及びエアノズル２２の図示を省略している。
【００２５】
氷蓄熱槽２８の内部には製氷ユニット４４が設けられている。この製氷ユニット４４は、フレーム５６、該フレーム５６に取り付けられた氷浮上防止網５０、及び製氷用熱交換器２６を含んで構成されている。ここで、氷浮上防止網５０は製氷用熱交換機２６の外周に付着した氷が融解等により剥離した場合に、その氷が水面にまで浮上することを防止するために設けられる。また、同図において符号３６は製氷用熱交換器２６の外周に成長する氷の一部を示すものである。
【００２６】
フレーム５６は、氷蓄熱槽２８の開口部に架設される断面Ｌ字状の水平部材５４と、該水平部材５４の一部であって氷蓄熱槽２８の開口縁部から等距離の部位から垂下する一対の取付部材５２を含んでいる。氷蓄熱槽２８は矩形の開口を有しており、その対向する辺に沿って一対の水平部材５４が架設される。そして、それら一対の水平部材５４及びそれらから垂下する取付部材５２が互いに連結され、一体となって氷浮上防止網５０及び製氷用熱交換器２６を支持している。
【００２７】
また、氷蓄熱槽２８の開口縁部には４つのフレーム支持機構５８が設けられている。このフレーム支持機構５８には後述するようにロードセル（図４符号７０）が含まれており、その出力は和算増幅器４２に供給される。そして、その和算結果は変換器４０に供給されており、そこで製氷ユニット４４の総重量（ｋｇ）に換算された後、制御器３８に供給される。この製氷ユニット４４の総重量には、フレーム５６、氷浮上防止網５０、及び製氷用熱交換機２６の他、製氷用熱交換機２６の外周に成長する氷の重量が含まれる。また、氷蓄熱槽２８内に水が貯えられている場合には、その重量の和から、それらに生じる浮力分を減じたものが、製氷ユニット４４の総重量として変換器４０から出力される。制御器３８では、水位センサ４６の出力である水位及び変換器４０の出力である製氷ユニット４４の総重量に基づき、氷蓄熱槽２８内の氷量（ｋｇ）を算出する。
【００２８】
この際、本氷蓄熱式冷水供給装置１０では、製氷用熱交換器２６の上側に氷浮上防止網５０を取り付けているため、製氷用熱交換器２６から氷が剥離した場合であっても、その剥離した氷の浮力をフレーム５６に伝えることができる。このため、本氷蓄熱式冷水供給装置１０では製氷用熱交換器２６から剥離した氷も含めて氷量を算出することができる。なお、氷浮上防止網５０は駕籠状に形成してもよい。こうすれば、氷蓄熱槽２８内の水が少量の場合、製氷用熱交換器２６から剥離した氷が槽の底部に落ち、フレーム５６に氷の荷重が伝わらなくなることを防止することができる。
【００２９】
図４は、フレーム支持機構５８の詳細な構造を示す図である。同図に示すように、氷蓄熱槽２８の開口周縁には、ボルト６２を螺着するねじ穴６０が設けられている。また、水平部材５４の端部にはボルト６２を挿通するためのボルト挿通口６１が開設されている。
【００３０】
さらに氷蓄熱槽２８の開口周縁部にはロードセル７０が取り付けられ、その上に水平部材５４が載置されている。そして、水平部材５４のボルト挿通口６１には、座金６４、バネ６６、及び座金６８がこの順ではめ込まれたボルト６２が挿通され、該ボルト６２の先端部が氷蓄熱槽２８のねじ穴６０に螺着されている。
【００３１】
このように、本氷蓄熱式冷水供給装置１０では、ロードセル７０を氷蓄熱槽２８の開口縁部に設けているため、ロードセル７０が例えば氷蓄熱槽２８の内部に設けられて水中に浸される場合に比して、寿命を長く保たせることができる。
【００３２】
また、フレーム支持機構５８では、ばね６６によって水平部材５４をロードセル７０側に付勢しているため、製氷用熱交換器２６の着氷量が多く、且つ氷蓄熱槽２８内に水が多く貯えられている場合であっても、浮力によりロードセル７０に対する押圧力がゼロにならないようにすることができる。こうして、ロードセル７０に対する加重方向が正逆に変化する場合に生じうる誤差を、生じないようにすることができる。
【００３３】
図５は、図３に示す制御器３８での氷量算出処理を説明する図である。同図において、横軸は水位センサ４６で検出される水位（％）を表しており、縦軸は変換器４０から供給される検出重量（ｋｇ）を示している。同図には２つのラインＬ１００とラインＬ０とが描かれている。このうち、ラインＬ１００は製氷用熱交換器２６に氷が最大限付着した場合における、水位及び検出重量の関係を表している。一方、ラインＬ０は、製氷用熱交換器２６に全く氷が付着していない場合における、水位及び検出重量の関係を表している。
【００３４】
同図において、まずラインＬ１００は、水位がフレーム５６の下端よりも下にある場合には、製氷ユニット４４に浮力は働かず、一定値をとる。次に、フレーム下端よりも水位が上昇するにつれ、製氷ユニット４４の総重量は次第に減少する。これは、氷蓄熱槽２８内の水により製氷ユニット４４が浮力を受けるからである。そして、水位がフレーム上端よりも上にくると、製氷ユニット４４がそれ以上の浮力を受けることはなく、変換器４０から出力される検出重量の値は再び一定値となる。
【００３５】
一方、ラインＬ０でも、水位がフレーム下端よりも下にある場合には、製氷ユニット４４に浮力は働かず、ラインＬ１００と同様に一定値をとる。そして、フレーム下端よりも上に水位がくると、変換器４０の出力である検出重量の値は徐々に小さくなり、フレーム上端にまで水位がくると、再び検出重量の値は一定値となる。このラインＬ０の場合の検出重量の降下量は、製氷ユニット４４自体（氷は含まず）の浮力に起因する。
【００３６】
制御器３８では、図５に示すラインＬ０，Ｌ１００と同様に、ラインＬ１〜Ｌ９９の軌跡を図示しないメモリにマップとして保持しており、このマップを用い、水位及び検出重量により定まる一点を通るラインＬｎ（ｎ＝０〜１００）を選出する。そして、そのｎ値（％）に製氷ユニット４４に最大限氷が着氷した場合の氷量（この値はあらかじめ計測される）が乗算され、その値が総氷量として外部に出力される。
【００３７】
こうして本氷蓄熱式冷水供給装置１０では、水位センサ４６の出力、及び変換器４０の出力に基づいて氷蓄熱槽２８内の氷量を算出している。このため、図２に示すように氷蓄熱槽２８内の冷水を適宜外部に供給する形式であっても、好適にその内部の氷量を検出することができる。
【００３８】
なお、同図に示されるように、例えばラインＬ１００においては水位がフレーム上端に近づくあたりから、検出重量は付勢加重（バネ６６によりロードセル７０に加えられる荷重）を下回るものとなる。このため、もしフレーム支持機構５８にばね６６が設けられていない場合、変換器４０から出力される検出重量は負の値をとることになる。この場合は、ロードセル７０に対する加重方向が正逆に変化するため、フレーム５６の撓み或いは歪み、その他、ロードセル７０自体の誤差により、正確な重量検出を行うことが困難となる。これに対し、本氷蓄熱式冷水供給装置１０では、フレーム支持機構５８にばね６６を設けて、製氷ユニット４４をロードセル７０側に付勢しているため、ロードセル７０への荷重方向を常に一定にすることができる。この結果、ロードセル７０に対する加重方向が正逆に変化することに起因する検出誤差をなくすことができる。
【００３９】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る氷蓄熱式冷水供給装置を示す図である。なお、同図に示す氷蓄熱式冷水供給装置７４は、図１又は図３に示す氷蓄熱式冷水供給装置１０において氷蓄熱槽２８及びブライン系統に変更を加えたものであり、ここでは、その特徴的な構成のみを図示するものとする。
【００４０】
同図に示すように、この氷蓄熱式冷水供給装置７４においては、氷蓄熱槽２８内に製氷用熱交換器２６が設けられていない。その代わりに、氷蓄熱槽２８の内部に氷供給用パイプ７５が導入されており、その先端部７６から氷片が噴出されるようになっている。すなわち、氷蓄熱槽２８の底部の排水パイプ７９は、その一部で分岐しており、一方が製氷用ポンプ８０に接続されている。そして、製氷用ポンプ８０により汲み上げられた氷蓄熱槽２８内の水は、ダイナミック製氷機と呼ばれる製氷装置７８に導入され、ここでリキッドアイス又はブロックアイスが生成される。そして、氷供給用パイプ７５から、その生成されたリキッドアイス又はブロックアイス（ここでは単に「氷片」という）が氷蓄熱槽２８内に供給される。
【００４１】
氷供給用パイプ７５から供給される氷片は氷蓄熱槽２８内を浮上する。この際、本氷蓄熱式冷水供給装置７４では集氷ユニット７２が槽内に設けられており、その浮上する氷片が水中で集められるようになっている。すなわち、集氷ユニット７２は、フレーム５６の取付部材５２の先端に氷浮上防止網５０を取り付けてなるものであり、これにより氷供給用パイプ７５から供給される氷片が捕獲収集される。そして、この氷浮上防止網５０で捕獲された氷により、集氷ユニット７２は図中上方に押し上げられる。この押し上げ荷重はフレーム支持機構５８の内部のロードセル７０により検出され、その検出出力は和算増幅器４２に供給される。和算増幅器４２では、すべてのロードセル７０の検出出力を合計し、その結果を変換器４０に供給する。変換器４０ではその値を集氷ユニット７２の総重量（ｋｇ）に変換し、制御器３８に供給する。制御器３８では入力された集氷ユニット７２の総重量及び水位センサ４６の検出値に基づいて槽内の氷量を算出する。この氷量の算出に際しては、水位が氷浮上防止網５０よりも上にある場合のみ出力を有効なものとし、それ以外は出力を無効としている。
【００４２】
すなわち、水位が低く、槽内の氷が氷浮上防止網５０により捕獲されていない場合、制御器３８での演算は意味をなさない。本氷蓄熱式冷水供給装置７４では、このことを水位センサ４６で検知することにより、誤った氷量を他の制御系で用いることを防止することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、氷量算出に当たって蓄熱槽の水位も考慮するようにしたので、蓄熱槽外に冷水を供給して蓄熱槽の水位が変動する場合であっても、好適に槽内の氷量を算出することができる。
【００４４】
また、本発明によれば、ロードセルを蓄熱槽の開口周縁部に設けるようにしたので、製氷ユニットや集氷ユニットの重量検出手段の寿命を延ばすことができる。
【００４５】
さらに、本発明によれば、製氷ユニットや集氷ユニットのフレームをロードセルに対して付勢してバイアスを掛けるようにしたので、ロードセルに常に一定方向に荷重が働くようにできる。この結果、製氷ユニットや集氷ユニットの浮力と重力とが釣り合う領域における、ロードセル自体の誤差やフレームの歪みなどに起因して生じうる重量検出の誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る氷蓄熱式冷水供給装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る氷蓄熱式冷水供給装置の動作を説明する図である。
【図３】氷蓄熱槽を詳細に示す図である。
【図４】フレーム支持機構を詳細に示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る氷蓄熱式冷水供給装置における氷量計算を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る氷蓄熱冷水供給装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，７４氷蓄熱式冷水供給装置、１２ろ過装置、１４原水供給ポンプ、１６ストレーナ、１８三方弁、２０散水ノズル、２２エアノズル、２４冷水供給ポンプ、２６製氷用熱交換器、２８氷蓄熱槽、３０エアポンプ、３２ブラインポンプ、３４ブラインクーラ、３６氷、３８制御器、４０変換器、４２和算増幅器、４４製氷ユニット、４６水位センサ、５０氷浮上防止網（氷片捕獲網）、５２取付部材、５４水平部材、５６フレーム、５８フレーム支持機構、６０ねじ穴、６１ボルト挿通口、６２ボルト、６４，６８座金、６６バネ、７０ロードセル、７２集氷ユニット、７５氷供給用パイプ、７６先端部、７８製氷装置、７９排水パイプ、８０製氷用ポンプ。

Claims

製氷用熱交換器及び該製氷用熱交換器を保持するフレームを備え、蓄熱槽内に設けられる製氷ユニットと、
前記製氷用熱交換器の着氷による前記製氷ユニットの上下動を規制する上下動規制手段と、
前記製氷ユニットの総重量を検出する重量検出手段と、
前記蓄熱槽の水位を検出する水位検出手段と、
前記蓄熱槽内の氷量を一定と仮定した場合における前記蓄熱槽の水位の変化と前記製氷ユニットの総重量の変化との関係を複数通りの氷量ごとに求めて記憶した記憶手段と、
実際に検出された前記蓄熱槽の水位および前記製氷ユニットの総重量を前記記憶手段に記憶された関係に照らし合わせて氷量を算出する氷量算出手段と、
を含むことを特徴とする氷蓄熱式冷水供給装置。
請求項１に記載の氷蓄熱式冷水供給装置において、
前記重量検出手段はロードセルを含んで構成され、
該ロードセルは前記蓄熱槽の開口周縁部に取り付けられ、
前記フレームは前記ロードセル上に載置されることを特徴とする氷蓄熱式冷水供給装置。
請求項２に記載の氷蓄熱式冷水供給装置において、
前記上下動規制手段は、前記フレームを前記ロードセルに対して付勢するフレーム付勢手段を含むことを特徴とする氷蓄熱式冷水供給装置。