JP2018044686A - 冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ２冷媒を用いた１つの冷凍装置の容量を大きくすることなく、冷凍システム全体として容量を大きくすることのできる冷凍システムを提供する。【解決手段】不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置１０と、独立の冷媒配管系統からなり、ＣＯ２冷媒を用いる複数の第２冷凍装置５０と、を備え、第２冷凍装置５０に設けられるそれぞれの冷媒冷却熱交換器５３は、第１冷凍装置１０の蒸発器１４内に備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いた冷凍装置と、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍装置と、を備える冷凍システムに関する。

従来、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍装置が知られている。
ＣＯ２冷媒を用いた冷凍装置は、ＣＯ２冷媒の臨界温度が低い（約３１℃）ため、気温の高い夏期に大気への放熱に工夫が必要である。その工夫として、一部冷媒の蒸発により冷媒を冷却するスプリットサイクルを用いた技術や、外部の冷水（冷却水）を活用する技術がある（例えば、特許文献参照）。

特開２０１５−２１８９３０号公報 特開２０１５−２１８９４４号公報 特開２０１６−０１４４９６号公報

冷凍冷蔵システムは気温の高い夏期に最大能力が求められるが、臨界温度が低い（約３１℃の）ＣＯ２冷媒を用いた冷凍システムは夏期に能力を出すためには前記の工夫が必要であった。
また高圧ガス保安法で規制緩和の進んでいないＣＯ２冷媒のみで冷凍機の冷凍容量増を図ろうとすると、安全性の観点から、法の要件が厳しくなり、ユーザーの法令順守負担が大きくなると言う問題があった。
一方、ブライン（水など）によりＣＯ２冷媒を冷却して冷凍容量増を図る場合はポンプ動力が必要となるためシステム全体の省エネ効果を見込めなかった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＣＯ２冷媒を用いた冷凍装置の法定冷凍トン数を増加させることなく、大きな冷凍容量を確保することのできる冷凍システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷凍システムは、不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置と、独立の冷媒配管系統からなり、ＣＯ２冷媒を用いる複数の第２冷凍装置と、を備え、前記第２冷凍装置に設けられるそれぞれの冷媒冷却熱交換器は、前記第１冷凍装置の蒸発器内に備えられることを特徴とする。

本発明によれば、法定冷凍トン数が一定の値以下であるＣＯ２冷媒を用いた冷凍装置を用いて、大きな冷凍容量を確保することのできる冷凍システムを提供できる。

本実施の形態に係る冷凍システムを示す図

第１の発明は、高圧ガス保安法で最も規制緩和された不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置と、独立の冷媒配管系統からなり、ＣＯ２冷媒を用いる複数の第２冷凍装置と、を備え、前記第２冷凍装置に設けられるそれぞれの冷媒冷却熱交換器は、前記第１冷凍装置の蒸発器内に備えられることを特徴とする冷凍システムである。
この発明によれば、ユーザーの法令順守負担を大きくすることなく冷凍装置を安全に運転でき、第１冷凍装置の蒸発器内にそれぞれ設けられる冷媒冷却熱交換器において、それぞれの第２冷凍装置を循環するＣＯ２冷媒を冷却することができる。
第１冷凍装置により、ＣＯ２冷媒を用いるそれぞれ独立した複数の第２冷凍装置の法定冷凍トン数を増加させることなく、大きな冷凍容量を確保することのできる冷凍システムを提供できる。
更に不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置に設計圧が１ＭＰａ未満となる冷媒を用いる場合は、この不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置自体は高圧ガス保安法の適用除外となる。

第２の発明は、前記不活性のフルオロカーボン系冷媒は、地球温暖化係数が１０未満であることを特徴とする冷凍システムである。
これによれば、第１冷凍装置には地球温暖化係数が１０未満の不活性ガス冷媒を循環させるので、安全で環境に優しい冷凍システムを提供できる。

第３の発明は、前記第２冷凍装置は、少なくとも圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、および蒸発器を備え、前記冷媒冷却熱交換器は、過冷却熱交換器であることを特徴とする冷凍システムである。
この発明によれば、ＣＯ２冷媒は、第２冷凍装置のガスクーラにより冷却されることに加え、第１冷凍装置の蒸発器において過冷却されるため、第２冷凍装置の冷凍能力を向上させるだけでなく、不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置が停止した場合も既存の第２冷凍装置を単独で運転することができる。

第４の発明は、制御部をさらに備え、前記制御部は、前記第１冷凍装置の圧縮機の吐出側圧力が上限設定値以下の所定値まで上昇した場合に、前記第１冷凍装置の蒸発器の蒸発温度を上昇させることを特徴とする冷凍システムである。

第５の発明は、前記制御部は、前記第１冷凍装置の圧縮機の吐出側圧力が前記上限設定値以下であり、前記所定値よりも高い第２所定値に達した場合に、さらに前記第１冷凍装置の蒸発器の蒸発温度を上昇させるとともに、前記第１冷凍装置の圧縮機および第２冷凍装置の圧縮機の周波数を下げることを特徴とする冷凍システムである。
この発明によれば、地球温暖化係数が１０未満である不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置における圧縮機の吐出側圧力が、あらかじめ設定された設定値を超えることを防止することができる。

第６の発明は、前記第１冷凍装置の蒸発器は、前記第１冷凍装置の蒸発器の圧力が前記上限設定値を超えた場合に、前記第１冷凍装置の蒸発器内の圧力を前記上限設定値以下に保つ安全手段を備えることを特徴とする冷凍システムである。
この発明によれば、第１冷凍装置の蒸発器内に複数設けられるいずれかの冷媒冷却熱交換器からＣＯ２冷媒が漏えいしたとしても、安全手段が第１冷凍装置の蒸発器内の圧力を設定値以下に保つため、第１冷凍装置の蒸発器が所定の圧力を超えることを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る冷凍システム１を示す図である。
冷凍システム１は、地球温暖化係数が１０未満である不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置１０と、独立の冷媒配管系統からなり、ＣＯ２冷媒を用いる複数の第２冷凍装置５０と、を備えている。
第１冷凍装置１０に用いられる地球温暖化係数が１０未満である不活性のフルオロカーボン系冷媒としては、ＡＳＨＲＡＥクラスＡ１、Ａ２Ｌ相当の不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いることができる。このＡＳＨＲＡＥクラスＡ１、Ａ２Ｌ相当の不活性のフルオロカーボン系冷媒として、例えば、Ｒ−１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ−１２３３ｚｄ（Ｅ）が用いられる。本実施の形態では、Ｒ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒が用いられている。
第１冷凍装置１０に用いられる冷媒がＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）の場合には、Ｒ−１２３３ｚｄ（Ｅ）がＡＳＨＲＡＥクラスＡ１の低毒性、不燃性の冷媒であり、且つ地球温暖化係数ＧＷＰも１程度と小さいため、安全で環境影響の小さい高効率システムを構築することができる。
なお、第１冷凍装置１０に用いられる冷媒は、地球温暖化係数が１０未満のものに限られず、不活性のフルオロカーボン系冷媒であればよい。

地球温暖化係数が１０未満である不活性ガス冷媒は、低圧冷媒である。そのため、本実施の形態に係る第１冷凍装置１０は、低圧冷媒用圧縮機である遠心式の圧縮機を備えるターボ冷凍機が用いられている。
最終元である第１冷凍装置１０にターボ冷凍機などの低圧縮比の冷凍機を使用することにより、トータルＣＯＰを低下させることなくＣＯ２冷媒を用いた第２冷凍装置５０の定格冷凍能力を３〜４割アップできるため、第２冷凍装置５０の必要台数（系統数）を削減することが可能となる。
なお、高圧ガス保安法は、設計圧力が１ＭＰａ以上を対象としており、Ｒ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を用いた場合は第１冷凍装置１０の設計圧力が１ＭＰａ未満となるため、高圧ガス保安法の適用除外とすることができる。

第１冷凍装置１０は、圧縮機（第１冷凍装置の圧縮機）１１、凝縮器１２、膨張弁１３、蒸発器（第１冷凍装置の蒸発器）１４が一連の冷媒配管により接続されている。凝縮器１２には、ファン１５が備えられている。
蒸発器１４には、蒸発器１４の圧力が上限設定値を超えた場合に破裂し、蒸発器１４の圧力が上限設定値を超えることがないように蒸発器１４内の圧力を保つ破裂板（安全手段）１６が備えられている。この破裂板１６により、例えば、仮に、第１冷凍装置１０の蒸発器１４内に設けられる過冷却熱交換器５３において第２冷凍装置５０のＣＯ２冷媒が急速漏えいした場合も第１冷凍装置１０が上限設定値を超えないようにすることができる。
なお、安全手段として、蒸発器１４内の圧力が上限設定値を超えた場合に開かれ、蒸発器１４内の圧力を上限設定値以下に調整するための安全弁を用いてもよい。
本実施の形態では、ここにいう上限設定値は１ＭＰａ未満に設定されている。

第２冷凍装置５０は、圧縮機（第２冷凍装置の圧縮機）５１、ガスクーラ５２、過冷却熱交換器（冷媒冷却熱交換器）５３、膨張弁５４、および蒸発器５５が一連の冷媒配管により接続されている。
また、第２冷凍装置５０は、冷凍機６０と、ショーケース７０と、を備える。圧縮機５１およびガスクーラ５２は、冷凍機６０に備えられている。蒸発器５５は、ショーケース７０に備えられている。
冷凍機６０には、ガスクーラに隣接して第２ファン５６が備えられている。ショーケース７０には、第３ファン５７が備えられている。

第２冷凍装置５０は、複数設けられている。それぞれの第２冷凍装置５０は、独立の冷媒配管系統を備えている。
この第２冷凍装置５０は、２以上であればよい。
また、それぞれの第２冷凍装置５０に備えられるショーケース７０は、１台であってもよいし、複数台並列に備えられていてもよい。
冷凍システム１では、それぞれの第２冷凍装置５０が独立の冷媒配管系統からなるため、冷凍用のショーケース７０と冷蔵用のショーケース７０とを並存可能となる。

過冷却熱交換器５３は、蒸発器１４内に備えられている。この過冷却熱交換器５３は、それぞれの第２冷凍装置５０ごとに設けられている。
蒸発器１４内には、それぞれの第２冷凍装置５０ごとに設けられた過冷却熱交換器５３が、独立して並列に備えられている。

なお、本実施の形態では、冷媒冷却熱交換器として過冷却熱交換器５３を用いたが、冷媒冷却熱交換器は、必ずしも過冷却熱交換器５３に限られるものではない。
第２冷凍装置５０にガスクーラ５２を設けずに、冷媒冷却熱交換器をこのガスクーラ５２の代わりとして用いて、蒸発器１４において放熱してもよい。

冷凍システム１は、制御的な構成としてＣＰＵなどからなる制御部２０を備える。制御部２０は、ＣＰＵが事前にインストールされた制御プログラムを読み出して実行することにより、冷凍システム１の各部を総括的に制御する。

制御部２０は、圧縮機１１の吐出側圧力が上限設定値以下の所定値に達した場合に、蒸発器１４の蒸発温度を上昇させる。このとき、例えば、制御部２０は、膨張弁１３を制御することにより蒸発器１４の蒸発温度を上昇させる。
これは、圧縮機１１の吐出側圧力が上限設定値を超えないようにするものであり、所定値は、設定値に近い値となる。本実施の形態では、所定値は、設定値の９０パーセントに設定される。
また、本実施の形態では、圧縮機１１の吐出側圧力の上限設定値は、０．９９ＭＰａに設定されている。また、蒸発器１４の所定蒸発温度は、例えば１８℃に設定されており、この場合は１℃上昇させて１９℃に上昇される。

また、制御部２０は、圧縮機１１の吐出側圧力が上限設定値以下であり、前記所定値よりも高い第２所定値に達した場合に、さらに蒸発器１４の蒸発温度を上昇させるとともに、圧縮機１１および圧縮機５１の周波数を下げるように制御してもよい。このとき、例えば、制御部２０は、膨張弁１３を制御することにより蒸発器１４の蒸発温度を上昇させる。
これは、例えば、圧縮機１１の吐出側圧力が所定値である設定値の９０パーセントに達したときの上記制御を行った場合にも、圧縮機１１の吐出側圧力がなお上昇を続ける場合に適用される。これは、圧縮機１１の吐出側圧力が設定値を超えないようにするものであり、第２所定値は、所定値よりも、より設定値に近い値となる。本実施の形態では、例えば、第２所定値は、設定値の９５パーセントに設定される。

本実施の形態における一例として、例えば、圧縮機１１の吐出側圧力が設定値の９５パーセントに達した場合、制御部２０は、蒸発器１４の蒸発温度設定をさらに１℃上昇させる。この場合、蒸発器１４の蒸発温度設定は、１９℃から２０℃に上昇される。
制御部２０は、蒸発器１４の蒸発温度設定を、１９℃から２０℃に上昇させるのと同時に、圧縮機１１および圧縮機５１の周波数を５Ｈｚ下げるよう制御する。
これにより、圧縮機１１の吐出側圧力が、設定値である０．９９ＭＰａを超えることをより確実に抑制できる。

次に、本実施形態の作用について説明する。
まず、第１冷凍装置１０は、圧縮機１１を動作させると、圧縮機１１の吐出口から吐出されたＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、凝縮器１２に流入する。凝縮器１２に流入したＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、凝縮器１２において放熱し、その後、蒸発器１４に流入する。蒸発器１４に流入したＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、蒸発器１４において吸熱し、過冷却熱交換器５３において熱交換を行う。蒸発器１４において過冷却熱交換器５３を流れるＣＯ２冷媒を冷却したＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、圧縮機１１の吸入口に吸入される。

第２冷凍装置５０においては、圧縮機５１を動作させると、圧縮機５１の吐出口から吐出されたＣＯ２冷媒は、ガスクーラ５２に流入する。ガスクーラ５２に流入したＣＯ２冷媒は、ガスクーラ５２において放熱し、その後、蒸発器１４内に備えられる過冷却熱交換器５３に流入する。過冷却熱交換器５３に流入したＣＯ２冷媒は、過冷却熱交換器５３においてさらに放熱し、蒸発器５５に流入する。蒸発器５５において吸熱したＣＯ２冷媒は、圧縮機５１の吸入口に吸入される。

制御部２０による作用について説明する。
制御部２０は、圧縮機１１の吐出側圧力が上限設定値である０．９９ＭＰａの９０パーセントに達した場合、膨張弁１３を制御することにより蒸発器１４の蒸発温度を１８℃から１９℃に１℃上昇させる。
また、制御部２０は、上記制御を行った場合にも、圧縮機１１の吐出側圧力がなお上昇を続け、圧縮機１１の吐出側圧力が上限設定値である０．９９ＭＰａの９５パーセントに達した場合、膨張弁１３を制御することにより蒸発器１４の蒸発温度を１９℃から２０℃にさらに１℃上昇させるのと同時に、圧縮機１１および圧縮機５１の周波数を５Ｈｚ下げる。

以上説明したように、本実施の形態に係る冷凍システム１は、Ｒ−１２３３ｚｄ（Ｅ）（不活性のフルオロカーボン系冷媒）を用いる第１冷凍装置１０と、独立の冷媒配管系統からなり、ＣＯ２冷媒を用いる複数の第２冷凍装置５０と、を備え、第２冷凍装置５０に設けられるそれぞれの過冷却熱交換器（冷媒冷却熱交換器）５３は、第１冷凍装置１０の蒸発器１４内に備えた。
高圧ガス保安法は設計圧力が１ＭＰａ以上を対象としており、Ｒ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を用いた場合は設計圧力が１ＭＰａ未満となるため、第１冷凍装置１０は高圧ガス保安法の適用除外となる。
高圧ガス保安法の適用除外となるこの第１冷凍装置１０により、複数の第２冷凍装置５０の法定冷凍トン数を増加させることなく独立に運転することができ、法定冷凍トン数が所定量以下である第２冷凍装置５０を複数運転することで、大きな冷凍容量を確保することのできる冷凍システム１を提供できる。

また、この構成によれば、ＣＯ２冷媒は、ガスクーラ５２により冷却されることに加え、第１冷凍装置１０の蒸発器１４において過冷却されるため、第２冷凍装置５０の冷凍能力を向上させることができる。

また、この構成によれば、既存の第２冷凍装置５０に過冷却熱交換器を設けて、そのまま使用することができる。

また、この構成によれば、第１冷凍装置１０が故障あるいは意図的に停止された場合にも、第２冷凍装置５０は自立して運転することができる。

また、これによれば、高圧ガス保安法下において規制緩和が進んでいる不活性（ＡＳＨＲＡＥクラスＡ１、Ａ２Ｌ相当）の低ＧＷＰ（１０未満）フロン系冷媒を用いた第１冷凍装置１０の法定冷凍トン数と、個々に独立したＣＯ２冷媒を用いた第２冷凍装置５０の個別の法定冷凍トン数（変化なし）により、高圧ガス保安法対応とすることができる。

また、これによれば、さらに第１冷凍装置１０が常時１ＭＰａ未満で作動する場合において、第１冷凍装置１０は、高圧ガス保安法適用外となるため、個々に独立したＣＯ２冷媒を用いた第２冷凍装置５０の個別の法定冷凍トン数（変化なし）のみでの高圧ガス保安法対応とすることができる。

また、本実施の形態によれば、第１冷凍装置１０に用いているＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒は、地球温暖化係数が１０未満の冷媒である。
これによれば、第１冷凍装置１０には地球温暖化係数が１０未満のＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を循環させるので、安全で環境に優しい冷凍システム１を提供できる。

また、本実施の形態によれば、蒸発器１４は、蒸発器１４の圧力が上限設定値である０．９９ＭＰａを超えた場合に、蒸発器１４内の圧力を上限設定値である０．９９ＭＰａ未満に調整する破裂板１６を備えた。
この構成によれば、仮に、蒸発器１４内に複数設けられるいずれかの過冷却熱交換器５３からＣＯ２冷媒が漏えいしたとしても、蒸発器１４内の圧力が上限設定値である０．９９ＭＰａとなるときに破裂板１６が破裂し、蒸発器１４内の圧力を上限設定値である０．９９ＭＰａ未満に保つため、蒸発器１４が上限設定値である０．９９ＭＰａを超えることを防止できる。

また、本実施の形態によれば、冷凍システム１は、制御部２０をさらに備え、制御部２０は、圧縮機１１の吐出側圧力が上限設定値である０．９９ＭＰａ以下の所定値である０．９９ＭＰａの９０パーセントに達した場合に、蒸発器１４の蒸発温度を１℃上昇させる。
これによれば、圧縮機１１の吐出側圧力が、あらかじめ設定された上限設定値を超えることを抑制できる。

また、本実施の形態によれば、制御部２０は、圧縮機１１の吐出側圧力が上限設定値である０．９９ＭＰａ以下であり、所定値である０．９９ＭＰａの９０パーセントよりも高い第２所定値である０．９９ＭＰａの９５パーセントに達した場合に、さらに蒸発器１４の蒸発温度を１℃上昇させるとともに、圧縮機１１および圧縮機５１の周波数を５Ｈｚ下げる。
これによれば、圧縮機１１の吐出側圧力が、あらかじめ設定された上限設定値を超えることをより確実に抑制できる。

また、本実施の形態によれば、第１冷凍装置１０にＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒を用いている。
これによれば、蒸発器１４における蒸発温度が１８℃以上において使用する場合に、第１冷凍装置１０の冷媒配管系統の内部が負圧とならないので、空気漏れ込みの心配も小さくなる。

また、本実施の形態で第１冷凍装置１０に用いたＲ−１２３３ｚｄ（Ｅ）冷媒、および第２冷凍装置５０に用いたＣＯ２冷媒ともに、低毒性であり、不燃性であり、かつ、地球温暖化係数も１程度であるため、安全で環境に優しい冷凍システム１を提供できる。

以上、本実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。あくまでも本発明の一実施の態様を例示するものであるから、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において任意に変更、及び応用が可能である。

１ 冷凍システム
１０ 第１冷凍装置
１１ 圧縮機（第１冷凍装置の圧縮機）
１４ 蒸発器（第１冷凍装置の蒸発器）
１６ 破裂板（安全手段）
２０ 制御部
５０ 第２冷凍装置
５１ 圧縮機（第２冷凍装置の圧縮機）
５２ ガスクーラ
５３ 過冷却熱交換器（冷媒冷却熱交換器）

Claims (6)

1. 不活性のフルオロカーボン系冷媒を用いる第１冷凍装置と、
   独立の冷媒配管系統からなり、ＣＯ２冷媒を用いる複数の第２冷凍装置と、を備え、
   前記第２冷凍装置に設けられるそれぞれの冷媒冷却熱交換器は、前記第１冷凍装置の蒸発器内に備えられることを特徴とする冷凍システム。
2. 前記不活性のフルオロカーボン系冷媒は、地球温暖化係数が１０未満であることを特徴とする請求項１に記載の冷凍システム。
3. 前記第２冷凍装置は、少なくとも圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、および蒸発器を備え、
   前記冷媒冷却熱交換器は、過冷却熱交換器であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍システム。
4. 制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１冷凍装置の圧縮機の吐出側圧力が上限設定値以下の所定値まで上昇した場合に、前記第１冷凍装置の蒸発器の蒸発温度を上昇させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷凍システム。
5. 前記制御部は、前記第１冷凍装置の圧縮機の吐出側圧力が前記上限設定値以下であり、前記所定値よりも高い第２所定値に達した場合に、さらに前記第１冷凍装置の蒸発器の蒸発温度を上昇させるとともに、前記第１冷凍装置の圧縮機および前記第２冷凍装置の圧縮機の周波数を下げることを特徴とする請求項４に記載の冷凍システム。
6. 前記第１冷凍装置の蒸発器は、前記第１冷凍装置の蒸発器の圧力が前記上限設定値を超えた場合に、前記第１冷凍装置の蒸発器内の圧力を前記上限設定値以下に保つ安全手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の冷凍システム。

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