JP7088579B1 - 冷凍冷蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却サイクルの排熱を利用する簡便なデフロスト手段を提供する。
【解決手段】冷凍冷蔵システムは、冷凍倉庫内における第１ユニット１と、冷凍倉庫外における第２ユニット２と、デフロスト手段３とを備える。第２ユニット２は、冷却クーラ１２で用いられた冷媒を段階的に高圧にする低段圧縮機２３および高段圧縮機２５と、低段圧縮機２３と高段圧縮機２５との間に設けられるデスーパヒータ２４を有し、デフロスト手段３は、タンク３１と、低段圧縮機２３とデスーパヒータ２４との間に設けられ、ブラインを加熱する熱交換器４０と、ブラインを冷却クーラ１２に供給するブライン回路と有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍冷蔵システムに関し、特にデフロスト手段を備える冷凍冷蔵システムに関するものである。

冷凍冷蔵倉庫内を摂氏０℃以下に維持しようとすると、庫内の空気中の水分が凍り、冷却クーラに着霜が発生するおそれがある。霜は目詰まり発生、通風抵抗の増加、通風量低下、熱伝達性能低下、熱交換能力低下といった要因となる。したがって、定期的に除霜する必要がある。これをデフロストという。

デフロストの方法としては、温水散布、電気加熱などがある。冷却クーラに直接水をかけることによりデフロストしたり、冷却クーラに電気ヒータを取付け直接冷却クーラ内を温めデフロストしたりする。

特開2010-060162号公報

従来のデフロスト手段では、装置構成が煩雑になったり、熱源が別途必要であった。

ところで、冷却サイクル（冷凍サイクル）の基本原理は、気体状の冷媒を圧縮し、その結果、昇圧昇温する第1工程と、放熱して凝縮させ液化させる第2工程と、減圧し膨張させ降温させる第3工程と、蒸発気化により熱を奪う第4工程とから形成される。

第4工程において室内の熱を奪うことにより、室内は冷却される。室内の熱を吸収した冷媒は第1工程により圧縮される。

1サイクルにおいて、冷媒は高温から低温まで変化する。本願では、冷却サイクルの排熱に着目した。

本願発明は、上記課題を解決するものであり、冷却サイクルの排熱を利用する簡便なデフロスト手段を提供する。

上記課題を解決する本願発明は、冷凍冷蔵庫内の対象物を冷却する冷却クーラを含む第1ユニットと、前記冷凍冷蔵庫外に設けられ、前記冷却クーラに液化された冷媒を供給する第２ユニットと、前記冷却クーラに発生する霜を抑制するデフロスト手段と、を備える冷凍冷蔵システムである。前記第２ユニットは、前記冷却クーラで用いられた冷媒を段階的に高圧にする低段圧縮機および高段圧縮機を有する。前記デフロスト手段は、ブラインを貯留するタンクと、前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に設けられ、前記ブラインを加熱する熱交換器と、前記加熱されたブラインを前記冷却クーラに供給するブライン回路と有する。

これにより、適切な温度を選択できる。その結果、適切なデフロストがおこなわれる。

上記発明において好ましくは、前記第２ユニットは、前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に設けられるデスーパヒータを有し、前記デフロスト手段の熱交換器は、前記低段圧縮機とデスーパヒータとの間に設けられる。

これにより、デスーパヒータの放熱を回収し有効利用できる。

上記発明において好ましくは、前記デフロスト手段の熱交換器は、１００℃以下の前記冷媒により、前記ブラインを加熱する。

これにより、熱交換器は耐圧性・耐熱性不要となり簡素化できる。また、ブライン選定やブライン回路の選定の自由度も増える。

上記発明において好ましくは、前記冷媒は二酸化炭素である。

二酸化炭素は温度変化が大きく、適切な温度を選択できる。

上記発明において好ましくは、前記第２ユニットは、前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に接続されるバイパスを有する。

これにより、受液器の圧力が調整されるとともに、冷媒回路往路は降温する。

上記課題を解決する本願発明は、冷凍冷蔵庫内の対象物を冷却する冷却クーラを含む第1ユニットと、前記冷凍冷蔵庫外に設けられ、前記冷却クーラに液化された冷媒を供給する第２ユニットと、前記第1ユニットと第２ユニットとの冷媒循環における排熱を利用する排熱利用手段と、を備える冷凍冷蔵システムである。前記第２ユニットは、前記冷却クーラで用いられた冷媒を段階的に高圧にする低段圧縮機および高段圧縮機を有する。前記排熱利用手段は、前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に設けられる熱交換器を有する。

本願における排熱利用は使い勝手がよいため、多用途に転用できる。

本発明のデフロスト手段は、冷却サイクルの排熱を利用するため、別途熱源を必要としない。その結果、装置構成を簡便化できる。

冷凍冷蔵システムの概念図 CO2の状態遷移図 モリエル線図（p-h線図）

～構成～
冷凍冷蔵システムは倉庫内の対象物を冷凍冷蔵するものである。一般に０～１５℃に維持することを冷蔵といい、０℃未満に維持することを冷凍というが、本願明細書では明確な区別をすることなく、対象物を冷凍することを前提に説明する。

図１は冷凍冷蔵システムの概念図である。

冷凍冷蔵システムは冷凍倉庫内における第１ユニット１と、冷凍倉庫外における第２ユニット２と、デフロスト手段３とを備える。

第１ユニット１は、低圧制御弁１１と冷却クーラ１２とを有する。

第２ユニット２は、液分離器２１と熱交換器２２と低段圧縮機２３とデスーパヒータ２４と高段圧縮機２５とガスクーラ２６と高圧制御弁２７と受液器２８とバイパス制御弁２９とを有する。

第１ユニット１と第２ユニット２とは、熱交換器２２と低圧制御弁１１とを結ぶ往路と、冷却クーラ１２と熱交換器２２とを結ぶ復路により、連結されて、冷媒回路が形成されている。

本実施隊の冷媒は、CO2（二酸化炭素）とする。図２はCO2の状態遷移図である。圧力及び温度を制御することで、気体または液体の状態を制御できる。

デフロスト手段３は、冷凍倉庫外におけるタンク３１と、冷却クーラ１２を加熱する加温器３２とを有する。

タンク３１から加温器３２への往路と加温器３２からタンク３１への復路とから、ブライン回路が形成されている。

本実施隊のブラインは、例えば、エチレングリコール系である。例えば、エチレングリコール70％を含むブラインを用い、－40℃でも凍結しない。すなわち、デフロストしていなくても凍結することはない。

冷凍冷蔵システムは、本実施形態の最も特徴的構成として、熱交換器４０を備える。熱交換器４０は低段圧縮機２３とデスーパヒータ２４との間に設けられるとともに、デフロスト手段３のブライン復路に設けられる。冷媒回路とブライン回路の間で熱交換する。熱交換器４０をデフロスト手段３の一構成として解釈してもよい。

～冷媒回路動作～
冷媒回路動作例について、圧力と温度を例示しながら説明する。例示の数値に限定されるものではない。なお、説明の便宜のため庫内冷却温度を―25℃と設定する。実務的には、－20～―40℃の範囲で調整する。また、季節要因等により外気温は5～35℃の範囲で変動するが、外気温変動に伴い、上記数値も変動する。

第１ユニット１の復路から冷媒ガス（一部冷媒液）が液分離器２１に供給される。このときの冷媒の温度は-17℃、圧力は1.3Mpaである。冷媒ガスはそのまま下流に進み、冷媒液は蒸発し冷媒ガスとなる。

熱交換器２２では、冷媒回路往路（－17℃の冷媒ガス）は冷媒回路復路（－4℃の冷媒液）と熱交換される。これにより冷媒ガスは昇温する。さらに、外気の影響を受けて徐々に昇温する。

低段圧縮機２３では、冷媒ガスは圧縮され、1.3Mpaから2.8Mpaとなる。これに伴い、冷媒ガス温度は－7℃から60℃に昇温する。

熱交換器４０では、冷媒回路（60℃）はブライン回路復路（20℃）と熱交換される。これにより冷媒ガスは若干降温する。

デスーパヒータ２４で放熱されることにより、冷媒ガスは、圧力維持（2.8Mpa）しながら、50℃に降温する。

さらに、バイパス制御弁２９を介して2.8Mpaに圧力制御された-８℃のバイパス経由の冷媒ガスと合流し、20℃に降温する。

高段圧縮機２５では、冷媒ガスは圧縮され、2.8Mpaから9.2Mpaとなる。これに伴い、冷媒ガス温度は20℃から135℃に昇温する。高段圧縮機２５により、冷媒ガスは超臨界状態となる。すなわち。高密度で液体のような流動性を持つガスとなる。

なお、一回の圧縮では上記のような圧力・温度を実現できないため、２台の圧縮機２３，２５を用いるとともに、圧縮機２３，２５の間において温度制御をおこなう。

また、図示に例において、圧縮機２３は能力向上のため並列配置されている。圧縮機２５においても同様である。

ガスクーラ２６では、冷媒ガスは、圧力維持（9.2Mpa）しながら、外気温前後の37℃に空冷される。これにより、冷媒ガスと冷媒液が混合した状態となる。

高圧制御弁２７では、高圧（9.2Mpa）状態の冷媒（ガス及び液）は膨張し、圧力3.1 Mpaとなる。これに伴い、冷媒（ガス及び液）温度は37℃から-4℃に降温する。

受液器２８では冷媒液（圧力3.1 Mpa，温度-4℃）が貯められる。冷媒ガスはバイパスを介して冷媒回路往路と合流する。

熱交換器２２では、冷媒回路復路の冷媒液は冷媒回路往路（－17℃の冷媒ガス）と熱交換される。これにより冷媒液は、-８℃に降温する。

以上により、第２ユニット２は、比較的低圧（圧力3.1 Mpa）で比較的低温（温度-8℃）の冷媒液を第１ユニット１に供給できる。

低圧制御弁１１では、比較的低圧（3.1 Mpa）状態の冷媒液は膨張し、更に低圧（圧力1.3 Mpa）となる。さらに、冷媒液の一部が蒸発し冷媒ガスとなる。気化により冷凍倉庫内の空気の熱を奪う。これに伴い、冷媒（ガス及び液）温度は-8℃から-32℃に降温する。

冷却クーラ１２では、冷凍倉庫内の空気との熱交換が行われる。これにより、冷凍倉庫内は-25℃程度に維持され、対象物を冷却する。-25℃となった冷媒ガスは、復路を経て第２ユニット２に供給刺される。なお、冷却クーラ１２は管路がコイル状となっており、表面積を大きくしている。

以上により、冷媒は第１ユニット１と第２ユニット２との間を循環する。

～ブライン回路動作～
ブライン回路動作例について、温度を例示しながら説明する。圧力に関する言及は省略する。この数値に限定されるものではない。

タンク３１にはブラインが貯められている。例えば、タンク３１内のブライン温度は３０℃に維持されている。ただし、タンク３１内下部のブライン温度は２０℃となる。タンク３１内のブラインはブライン往路およびポンプを介して、冷却クーラ１２に送られる。

冷却クーラ１２には加温器３２が設けられている。３０℃のブラインが加温器３２に供給されデフロストをおこなう。加温器３２は管路がコイル状となっており、冷却クーラ１２のコイル状に対応している。

ブラインはデフロストのため熱を奪われ、ブライン温度は２０℃になり、ブライン復路を介して、タンク３１に戻される。

このとき、熱交換器４０では、ブライン回路復路（20℃）は冷媒往路（60℃）と熱交換され、３０℃に昇温する。その結果、タンク３１内のブライン温度は３０℃に維持されている。

～CO2冷媒とデフロストの関係～
従来、冷媒としてフロン系ガスが用いられている。一方で、フロン系ガスは環境負荷が高く、自然冷媒が見直されている。自然冷媒にはアンモニア、CO2、プロパン、ブタンなどがある。プロパンやブタンは爆発性があり取り扱いが困難である。アンモニアは、刺激臭と毒性があり取り扱いが困難である。その結果、CO2が着目されている。

なお、従来CO2冷媒は外気温が高温となると上手く作用しなくなる傾向があったが、近年、デスーパーヒータの大型化やガスクーラの大型化、制御における工夫により改善されている。

上記CO2冷媒回路の例では、低段圧縮機２３から高段圧縮機２５までの間に、-７℃→60℃→50℃→20℃→135℃と頻繁に温度変化する。したがって、熱交換器４０において、適切な温度を選択できる。その結果、適切なデフロストがおこなわれる。

なお、アンモニア冷媒は高温になりにくく、デフロストに適した温度を選択しにくい。

～効果～
熱交換器４０を用いない仮想比較例１においては、タンク３１に電気ヒータを取り付けて、ブラインの温度を維持する。

これに対し、本実施形態は熱交換器４０を用い、熱交換によりブラインの温度を維持する。

すなわち、デスーパヒータ２４にて放熱していた排熱を回収し、有効利用できる。したがって、別途熱源を必要としない。

圧縮機とガスクーラの間に熱交換器を設置する仮想比較例２においては、高圧・高温対策として、熱交換器は耐圧性・耐熱性を要し、大型化、高価となる。

これに対し、本実施形態におおける上記CO2冷媒回路の例では、低段圧縮機２３から高段圧縮機２５までの間に、冷媒は圧力1.3Mpaが2.8Mpaとなり、比較的低圧である。また比較的低温（１００℃未満）である。したがって、熱交換器４０は耐圧・耐熱の必要性も低く、簡易な構成とすることができる。

また、熱交換が比較的低温でおこなわれるため、ブラインの種類に選択肢が多い。また、ブライン回路の耐熱の必要性も低い。

圧縮機とガスクーラの間に熱交換器を設置する仮想比較例２においては、ガスクーラは高圧・高温の冷媒を冷却するため、冷却する熱量が外気温によって変動する。その結果、仮想比較例２の熱交換器による熱交換が不安定になる。

これに対し、低段圧縮機２３と高段圧縮機２５間に熱交換器４０を設置する本実施形態においては、デスーパヒータ２４は中圧・中温の冷媒を冷却するため、外気温が高くても、冷却できる熱量を確保できる。外気温の変動の影響は少ない。その結果、熱交換器４０は安定して動作し、適切なデフロストがおこなわれる。

圧縮機とガスクーラの間に熱交換器を設置する仮想比較例２においては、外気温によって高段圧縮機２５が吸引する流量が変動する。外気温が高い場合、バイパス経由の流量が増加し、外気温が低い場合、バイパス経由の流量が減少する。高段圧縮機２５の仕事量が変動する結果、仮想比較例２の熱交換器による熱交換が不安定になる。

これに対し、低段圧縮機２３と高段圧縮機２５間に熱交換器４０を設置する本実施形態においては、低段圧縮機２３の仕事量は外気温によらず変動しない。その結果、熱交換器４０は安定して動作し、適切なデフロストがおこなわれる。

図３はモリエル線図（p-h線図）の概念図である。左側が外気温高温時、右側が外気温低温時を示す。図中の付番は図１の構成に対応する。

図３の左右を比較することにより、高段圧縮機２５を含む履歴は外気温の高低の影響を受けやすいのに対し、低段圧縮機２３を含む履歴は外気温の高低の影響を受けにくいことを示している。

ブラインを用いず、電気ヒータにより直接デフロストする仮想比較例３においては、通電後徐々に温度上昇が起きる一方、場所により100℃以上加熱することもある。すなわち温度ムラが大きい。また、湯煙（靄）が発生するおそれがあり、湯煙（靄）が再凍結するおそれもある。

これに対し、上記温ブラインデフロストでは、安定した温度供給により、湯煙（靄）の発生を抑えることができる。

～その他～
上記実施形態では、冷却サイクルにおける排熱を冷却クーラのデフロストに用いた例を説明しているが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。

本願における排熱利用は使い勝手がよいため、多用途に転用できる。例えば、水を加温して温水としてもよい。

１ 第1ユニット（冷凍倉庫内）
２ 第２ニット（冷凍倉庫外）
３ デフロスト手段
１１ 低圧制御弁
１２ 冷却クーラ
２１ 液分離器
２２ 熱交換器
２３ 低段圧縮機
２４ デスーパヒータ
２５ 高段圧縮機
２６ ガスクーラ
２７ 高圧制御弁
２８ 受液器
２９ バイパス制御弁
３１ タンク
３２ 加温器

Claims (3)

1. 冷媒として二酸化炭素を用い、
   冷凍冷蔵庫内の対象物を冷却する冷却クーラを含む第1ユニットと、
   前記冷凍冷蔵庫外に設けられ、前記冷却クーラに液化された冷媒を供給する第２ユニットと、
   前記冷却クーラに発生する霜を抑制するデフロスト手段と、
   を備える冷凍冷蔵システムであって、
   前記第２ユニットは、前記冷却クーラで用いられた冷媒を段階的に高圧にする低段圧縮機および高段圧縮機と、前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に設けられるデスーパヒータとを有し、
   前記デフロスト手段は、ブラインを貯留するタンクと、前記低段圧縮機とデスーパヒータとの間に設けられ、前記ブラインを加熱する熱交換器と、前記加熱されたブラインを前記冷却クーラに供給するブライン回路と有する
   ことを特徴とする冷凍冷蔵システム。
2. 前記デフロスト手段の熱交換器は、１００℃以下の前記冷媒により、前記ブラインを加熱する
   ことを特徴とする請求項１記載の冷凍冷蔵システム。
3. 前記第２ユニットは、前記低段圧縮機と高段圧縮機との間に接続されるバイパスを有する
   ことを特徴とする請求項1または２記載の冷凍冷蔵システム。

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