JP2001091069A - アンモニア冷凍装置 - Google Patents

アンモニア冷凍装置

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JP2001091069A
JP2001091069A JP26323599A JP26323599A JP2001091069A JP 2001091069 A JP2001091069 A JP 2001091069A JP 26323599 A JP26323599 A JP 26323599A JP 26323599 A JP26323599 A JP 26323599A JP 2001091069 A JP2001091069 A JP 2001091069A
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cooled
compressor
brine
refrigerant
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Yoshibumi Ichikawa
義文 市川
Makoto Otawara
信 太田原
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】より安全性の向上が図られ高効率で小型化され
たアンモニア冷凍装置を得る。 【解決手段】冷媒にアンモニアを使用し、圧縮機１、凝
縮器２、膨張弁３、蒸発器４とが配管にて接続されたア
ンモニア冷凍サイクルを有するアンモニア冷凍装置にお
いて、 圧縮機１と圧縮機１を駆動する電動機１１を内
蔵し冷媒が流通するケーシング１３と、アルミ電線とさ
れた電動機１１の固定子巻線と、ケーシング１３内で圧
縮されその後、蒸発器４で蒸発される冷媒で冷却される
ブラインとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、オゾン層破壊、地
球温暖化、二酸化炭素増加などの環境問題に対応するた
め冷媒にアンモニアを使用した冷凍装置に関し、特にシ
ョーケース、フリーザ、自動販売機、冷却貯蔵装置、製
氷機など冷凍装置、極低温冷凍装置などに好適である。
【０００２】
【従来の技術】アンモニアを冷媒に使用する冷凍サイク
ルの圧縮機に関しては、圧縮機とモータがシャフトで連
結された開放型として、あるいはモータの固定子（ステ
ータ）をキャンと呼ぶ壁で回転子（ロータ）と隔て、ア
ンモニア冷媒とステータの巻線との接触を防いでいる。
【０００３】開放型圧縮機は、圧縮機の外部で、電動機
と連結装置にて直結するため、装置としては大型化する
とともに、現地での芯出し作業が必要になる。また圧縮
機側に軸封装置を必要とするため、軸封装置のシール部
からの冷媒及び冷凍機油漏れが懸念され、安全性の面で
も改善を図る必要があった。
【０００４】また、キャンを用いたものでは、構造が複
雑化するうえ、効率が低下する。以上のために、圧縮機
を密閉式としてステータの巻線をアンモニアに耐えうる
アルミニウムでコティーングすることが特開平１０−１
４１２２６号公報に、回転子となる「かご型」巻線をア
ルミニウム線とすることが特開平１０−１１２９４９号
公報に記載されるように知られている。
【０００５】さらに、アンモニア冷媒冷凍装置として補
助流体を用い電気的絶縁性を向上するとともに冷凍装置
としての効率を向上することが特開平１０−２７４４４
７号公報に記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載のもの
は、アンモニア冷媒を用いた場合の圧縮機、あるいは圧
縮工程での漏洩などに対する安全性、腐食などを考慮し
たものであるが、アンモニア冷凍装置としては単に圧縮
機構部ばかりでなく、冷凍装置として小型化、高効率運
転、安全性の向上をより図る必要がある。
【０００７】本発明の目的は、より安全性の向上が図ら
れ、高効率で小型化されたアンモニア冷凍装置を提供す
ることにある。
【０００８】また、本発明の他の目的は、冷凍サイクル
を簡素化するとともに冷媒封入量を削減し、冷凍能力の
増加、消費電力の減少などを図り、省エネルギーとする
ことにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、冷媒にアンモニアを使用し、圧縮機、凝
縮器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接続されたアンモニ
ア冷凍サイクルを有するアンモニア冷凍装置において、
圧縮機と圧縮機を駆動する電動機を内蔵し冷媒が流通
するケーシングと、アルミ電線とされた電動機の固定子
巻線と、ケーシング内で圧縮されその後、蒸発器で蒸発
される冷媒により冷却されるブラインとを備えたもので
ある。
【００１０】アンモニア冷凍サイクルにおいて、電動機
の固定子巻線をアルミ電線とするので、キャン等を用い
なくてもアンモニアにより腐食する恐れがなくなり、構
造も単純化する。そして、効率も低下することがない。
さらに、アンモニア冷媒により冷却されるブラインを利
用して、空調、冷凍等を行うので被空調部、被冷凍部で
はより安全性が向上し、冷媒封入量も削減できる。
【００１１】上記において、蒸発器は複数枚のプレート
が積層されるプレート式熱交換器とし、圧縮機の容量を
制御するインバータ駆動装置を備えることが望ましい。
【００１２】さらに、本発明は、冷媒にアンモニアを使
用し、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接
続され冷媒により冷却されるブラインを有する冷凍サイ
クルを備えたアンモニア冷凍装置において、圧縮機を駆
動する電動機の巻線をアルミ電線とし、圧縮機で圧縮さ
れその後蒸発器で蒸発されるアンモニアによりブライン
が冷却され、氷蓄熱運転においてブラインが蓄熱槽に供
給され内部の水が製氷され、蓄熱槽で冷却された冷水が
冷水用ポンプで移送されるものである。
【００１３】アンモニア冷凍サイクルにおいて、電動機
の巻線をアルミ電線とするので、アンモニアにより腐食
する恐れがなくなり、構造も単純化でき、効率も低下す
ることがない。さらに、アンモニア冷媒により冷却され
るブラインを利用して冷却された冷水が冷水用ポンプで
移送されることによって、室内の空気調和が行われるの
で、室内にはアンモニアが漏れる事無くより、一層安全
性が向上する。さらに、夜間電力を用いて蓄熱運転する
ことにより、電力需要の平準化が促進され、オゾン層破
壊、地球温暖化、二酸化炭素増加などの環境問題に対応
するのに適したものとなる。
【００１４】さらに、本発明は、冷媒にアンモニアを使
用し、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接
続され冷媒により冷却されるブラインを有する熱源機を
備えたアンモニア冷凍装置において、 電動機の巻線が
アルミ電線とされた圧縮機と、ブラインが供給される蓄
熱槽と、蓄熱槽で冷却された冷水を移送する冷水用ポン
プとを備えたものである。
【００１５】さらに、本発明は、冷媒にアンモニアを使
用し、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接
続され冷媒により冷却されるブラインを有する冷凍サイ
クルを備えたアンモニア冷凍装置において、電動機の巻
線がアルミ電線とされた圧縮機と、ブラインが供給され
る蓄熱槽と、蓄熱槽で冷却された冷水を室内へ移送する
冷水用ポンプと、室内で空調を行った冷水をブラインと
熱交換するブライン／水熱交換器と、ブライン／水熱交
換器で冷却された予冷水と蓄熱槽で冷却された冷水とを
混合する三方弁とを備えたものである。
【００１６】ブラインにより蓄熱槽で冷却された冷水が
室内へ移送され、室内で空調が行なわれた冷水がブライ
ン／水熱交換器で冷却されて予冷水となり、蓄熱槽で冷
却された冷水と混合されるので、構造が簡単であると共
に、室内に供給される冷水は一定温度になり余分な能力
を費やすことなく空調が高効率になる。よって、冷媒封
入量が削減され、冷凍能力が増加して消費電力の減少が
図られる。
【００１７】さらに、本発明は、冷媒にアンモニアを使
用し、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接
続され冷媒により冷却されるブラインを有する冷凍サイ
クルを備えたアンモニア冷凍装置において、圧縮機を駆
動する電動機の巻線をアルミ電線とし、氷蓄熱運転の場
合、冷凍サイクルで冷却されたブラインが蓄熱槽に供給
されて製氷し、冷房運転の場合、室内から戻る冷水はブ
ラインで予冷されて分岐され、分岐された一方と蓄熱槽
でさらに冷却された他方と混合されて室内へ移送される
ものである。
【００１８】上記のものにおいて、蒸発器は複数枚のプ
レートが積層されるプレート式熱交換器とすることが望
ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
を参照して説明する。図１は、アンモニア冷凍サイクル
のサイクル系統図を示し、図中の凝縮器２は、空冷式と
した場合を示しているが、水冷式凝縮器としても良い。
圧縮機１にてアンモニアガスは圧縮され、高温高圧のガ
スとなり凝縮器２内にて、冷却水または空気により冷却
され凝縮液となる。この凝縮液が主膨張弁３で膨張され
て低圧の湿りガスとなり、蒸発器となるプレート式熱交
換器４内で被冷却物であるブライン又は水の冷却作用を
行った後、圧縮機１へと吸入される。
【００２０】空調用途で使用する場合、フルオロカーボ
ン２２の特性上、アンモニアよりも約１０％程度冷凍能
力が減少するため、冷却熱量当たりの消費電力が増大す
る。これにより、発電時に発生する二酸化炭素も増加
し、さらに地球温暖化に影響を与えることとなる。
【００２１】冷媒にフルオロカーボン２２を使用した冷
凍装置では、空調用途で使用する場合、アンモニアに比
べ冷凍能力は減少する。また、フルオロカーボン２２で
は、オゾン破壊係数（ＯＤＦ）及び地球温暖化係数（Ｇ
ＷＰ）も高く、地球環境の点においても自然冷媒であ
り、オゾン層破壊、地球温暖化に影響を与えないアンモ
ニア冷媒への切換が急務である。また前述の開放型圧縮
機を使用したアンモニア冷凍装置では、装置としての大
型化、現地での芯出し作業、軸封装置からの冷媒漏れ、
現地メンテナンス作業の必要性等があった。
【００２２】図４は、プレート式熱交換器４のブライン
出入口の構造を示す斜視図であり、ブラインは、プレー
ト式熱交換器の上部入口より流入する。アンモニア冷媒
が蒸発することにより、ブラインは上部から下部に向か
って流れていく間に冷却され、下部出口より温度が下げ
られた状態で排出される。
【００２３】アンモニアは強い臭気あり、その漏洩を防
ぐことが要求される。そして、圧縮機を全密閉式あるい
は半密閉式とすることが望ましく、さらに伝熱管、冷媒
配管に銅および銅合金を用いることはできず、鉄管、Ｓ
ＵＳ（ステンレス）管、アルミ管とすることが良い。
【００２４】図３は、半密閉型の圧縮機１を示し、吸入
部から吸入されたアンモニア冷媒は、電動機１１の固定
子（ステータ）と回転子（ロータ）により、同一ケーシ
ング１３内のスクリューロータ１２（又は、スクロー
ル）を回転する。スクリューロータ１２（又は、スクロ
ール）によって、圧縮されたアンモニア冷媒は、吐出部
より吐出される。
【００２５】電動機の固定子巻線をアルミ電線とするの
で、アンモニアにより腐食する恐れがなくなり、耐圧強
度構造の必要なキャンも不要となる。また、キャンによ
る５〜７％程度の効率低下も防ぐことができる。さら
に、アルミ電線の電気抵抗は銅線の１．６倍あるが、電
動機の容積を１．２〜１．４倍（１．２５倍が望まし
い）にし、始動電流も１．２〜１．４倍（１．２５倍が
望ましい）にする。
【００２６】また、アンモニア冷媒により冷却されるブ
ラインを利用して、空調、冷凍等を行うので被空調部、
被冷凍部ではより安全性が向上し、冷媒封入量も削減で
きる。そして、蒸発器は複数枚のプレートが積層される
プレート式熱交換器４とすることで、アンモニアとなる
冷媒の使用量も少なくできる。さらに、インバータ駆動
装置で圧縮機の容量をブラインの流量に応じて制御すれ
ば、冷媒封入量を削減したことに起因する熱交換器内で
の凍結が防止でき、信頼性を向上できる。
【００２７】また、圧縮機の軸受け等の潤滑を行う冷凍
機油は、アンモニアと相溶性のあるものが望ましく、例
えば、アンモニアが溶解する合成油であるアンモニア用
ＰＡＧあるいはポリエステル系の合成油とすることが良
く、さらには乾式システムで自動運転とすることが望ま
しい。
【００２８】さらに、アンモニア冷凍装置としては、冷
凍機油がアンモニアを溶解せず、２相分離状態である場
合は、油戻りの観点からタンクの下部に分離された油が
溜まり、抜き取りが容易なローレシーバ方式が良い。
【００２９】図２は、上記で説明した冷凍装置を使用
し、氷蓄熱式空調装置を構成した場合のサイクル系統図
を示し、熱源機５が冷凍サイクルを構成する圧縮機１、
凝縮器２、膨張弁３、蒸発器４を有する冷凍装置であ
る。
【００３０】夜間の氷蓄熱運転の場合は熱源機５を運転
し、熱源機５内の蒸発器４により冷却されたブラインは
切換弁６ａを経て氷蓄熱槽７に供給され、氷蓄熱槽７内
にて槽内冷水の冷却を行う。これによりブラインの温度
は上昇するため再度蒸発器４内で冷却され、温度が下が
れたブラインは蓄熱槽７に向かい、蓄熱槽７内の冷水を
製氷していく。
【００３１】昼間の冷房運転においては、氷蓄熱式空調
装置１４で冷却された７℃の冷水を空調機８内に送り、
室内の空調を行う。これにより冷水温度は１２℃まで上
昇し、氷蓄熱式空調装置１４へ戻る。戻ってきた冷水
は、ブライン／水熱交換器９にて熱源機５の蒸発器４に
て冷却されたブラインとの熱交換により、９．５℃まで
予冷される。
【００３２】予冷された水は分岐されて一方は蓄熱槽７
内に、他方は三方弁１０に向かう。蓄熱槽７に入った予
冷水は、蓄熱槽７内の氷と熱交換され４℃まで温度を下
げられる。そして蓄熱槽７の出口にある三方弁１０に
て、蓄熱槽７で４℃まで冷却された水と、分岐された
９．５℃の予冷水とが混合され、一定温度７℃の冷水と
なる。７℃の冷水は冷水用ポンプ１５にて空調機８に送
られ室内の空調を行う。
【００３３】以上、アンモニアを冷媒とし冷凍サイクル
を有する冷凍装置において、冷媒にフルオロカーボンを
使用していた冷凍装置に比べ、蒸発温度−１０℃付近の
運転条件では、冷凍能力を約１０％向上させることが可
能である。圧縮機においても、銅線を使用した電動機の
場合よりも、若干の消費電力の増加はあるものの、冷凍
装置としての成績係数は全体で５％向上され、高効率の
運転が可能になる。
【００３４】また半密閉構造の圧縮機を使用するため、
現地での芯出し作業や電動機のグリスアップは不要にな
り、軸封装置からの冷媒漏れを回避することができる。
また装置として小型化され、省メンテナンス化，安全性
の向上を図ることができる。
【００３５】氷蓄熱式空調装置の場合では、外気温の低
い夜間に蓄熱運転を行うことで、凝縮圧力の低下による
消費電力の低減、高効率運転が可能になるため、昼間の
みで運転した場合よりも消費電力を低く押さえることが
でき、地球温暖化に対する影響を更に下げることができ
る。
【００３６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、電
動機の固定子巻線をアルミ電線とするので、構造も単純
化され、効率も低下することがない。そのうえ、アンモ
ニア冷媒により冷却されるブラインを利用するので、よ
り安全性の向上が図られ、高効率で小型化されたアンモ
ニア冷凍装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるアンモニア冷凍サイク
ルのサイクル系統図。
【図２】本発明の一実施例による氷蓄熱式空調装置のサ
イクル系統図。
【図３】本発明の本発明の一実施例による圧縮機の構造
を示す断面図。
【図４】本発明の本発明の一実施例によるプレート式熱
交換器の斜視図。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…凝縮器、３…主膨張弁、４…蒸発器、
５…熱源機、６a,b…切換弁、７…氷蓄熱槽、８…空調
機、９…ブライン／水熱交換器、１０…三方弁、１１…
電動機、１２…スクリューロータ、１３…ケーシング、
１４…氷蓄熱式空調装置、１５…冷水用ポンプ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｄ 15/00 Ｆ２５Ｄ 15/00 17/02 ３０４ 17/02 ３０４ Ｆ２８Ｄ 9/02 Ｆ２８Ｄ 9/02 Ｆターム(参考） 3L045 AA06 BA01 CA02 DA02 FA02 GA05 HA01 JA13 JA14 KA15 LA06 NA01 PA04 PA05 3L103 AA13 AA46 BB42 BB44 CC02 CC18 DD15 DD56 DD92

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】冷媒にアンモニアを使用し、圧縮機、凝縮
    器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接続されたアンモニア
    冷凍サイクルを有するアンモニア冷凍装置において、 前記圧縮機と圧縮機を駆動する電動機を内蔵し前記冷媒
    が流通するケーシングと、 アルミ電線とされた前記電動機の固定子巻線と、 前記ケーシング内で圧縮されその後前記蒸発器で蒸発さ
    れる前記冷媒により冷却されるブラインとを備えたこと
    を特徴とするアンモニア冷凍装置。
  2. 【請求項２】請求項１に記載のものにおいて、前記蒸発
    器は複数枚のプレートが積層されるプレート式熱交換器
    とし、前記圧縮機の容量を制御するインバータ駆動装置
    を備えたことを特徴とするアンモニア冷凍装置。
  3. 【請求項３】冷媒にアンモニアを使用し、圧縮機、凝縮
    器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接続され前記冷媒によ
    り冷却されるブラインを有する冷凍サイクルを備えたア
    ンモニア冷凍装置において、 前記圧縮機を駆動する電動機の巻線をアルミ電線とし、
    前記圧縮機で圧縮されその後前記蒸発器で蒸発される前
    記アンモニアによりブラインが冷却され、氷蓄熱運転に
    おいて前記ブラインが蓄熱槽に供給され内部の水が製氷
    され、前記蓄熱槽で冷却された冷水が冷水用ポンプで移
    送されることを特徴とするアンモニア冷凍装置。
  4. 【請求項４】冷媒にアンモニアを使用し、圧縮機、凝縮
    器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接続され前記冷媒によ
    り冷却されるブラインを有する熱源機を備えたアンモニ
    ア冷凍装置において、 電動機の巻線がアルミ電線とされた前記圧縮機と、 前記ブラインが供給される蓄熱槽と、 前記蓄熱槽で冷却された冷水を移送する冷水用ポンプと
    を備えたことを特徴とするアンモニア冷凍装置。
  5. 【請求項５】冷媒にアンモニアを使用し、圧縮機、凝縮
    器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接続され前記冷媒によ
    り冷却されるブラインを有する冷凍サイクルを備えたア
    ンモニア冷凍装置において、 電動機の巻線がアルミ電線とされた前記圧縮機と、 前記ブラインが供給される蓄熱槽と、 前記蓄熱槽で冷却された冷水を室内へ移送する冷水用ポ
    ンプと、 前記室内で空調を行った冷水を前記ブラインと熱交換す
    るブライン／水熱交換器と、 前記ブライン／水熱交換器で冷却された予冷水と前記蓄
    熱槽で冷却された冷水とを混合する三方弁とを備えたこ
    とを特徴とするアンモニア冷凍装置。
  6. 【請求項６】冷媒にアンモニアを使用し、圧縮機、凝縮
    器、膨張弁、蒸発器とが配管にて接続され前記冷媒によ
    り冷却されるブラインを有する冷凍サイクルを備えたア
    ンモニア冷凍装置において、 前記圧縮機を駆動する電動機の巻線をアルミ電線とし、 氷蓄熱運転の場合、前記冷凍サイクルで冷却された前記
    ブラインが蓄熱槽に供給されて製氷し、 冷房運転の場合、室内から戻る冷水は前記ブラインで予
    冷されて分岐され、分岐された一方と前記蓄熱槽でさら
    に冷却された他方と混合されて室内へ移送されることを
    特徴とするアンモニア冷凍装置。
  7. 【請求項７】請求項３ないし６に記載のいずれかのもの
    において、前記蒸発器は複数枚のプレートが積層される
    プレート式熱交換器とたことを特徴とするアンモニア冷
    凍装置。
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