JP2001027451A - 低温空気発生方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ランニングコストおよびイニシャルコストを
削減し得る低温空気発生方法および装置を提供する。 【解決手段】 圧縮機１１で冷媒空気を圧縮し、得られ
た圧縮冷媒空気をガスベアリング式膨張タービン１６を
用いて断熱膨張により降温させ低温冷媒空気とし、この
低温冷媒空気を、外気に通じる被冷却物搬出入口を有す
る冷熱消費設備２０内に導入して該設備内の被冷却物を
冷却し、被冷却物を冷却した後の冷媒空気を圧縮機１１
に循環させるに際し、膨張タービン１６の軸受ガスとし
て使用した後のベアリングガスを回収し、ベアリングガ
ス合流経路３１を通して循環ガス経路１９内の冷媒空気
に合流させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮した冷媒空気
を膨張させて降温させ、低温となった冷媒空気を用いて
被冷却物を冷却する低温空気発生方法および装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】食品凍結、冷凍倉庫、反応熱除去、凍結
乾燥など、冷熱を消費する分野では、空気を圧縮した
後、膨張タービンで断熱膨張させて得た低温空気（冷
気）を用いて被冷却物を冷熱消費設備内で冷却すること
ができる低温空気発生装置が用いられている。このよう
な装置としては、冷熱消費設備で被冷却物の冷却に用い
られた冷気を回収し循環使用することによって、被冷却
物冷却後の冷気中の冷熱を有効に利用し熱効率を高める
ことができる循環式のものが多く用いられている。この
ような循環式の低温空気発生装置を使用する際には、冷
熱消費設備において被冷却物を冷却した後の冷気を回収
するにあたり、冷熱消費設備内への外気の侵入を防ぎ侵
入熱を最小限に抑えるとともに、装置への着霜を防止し
て熱効率を高めることを目的として、冷熱消費設備への
冷気供給量を回収量よりもわずかに（例えば１〜１０ｖ
ｏｌ％程度）多く設定することが行われている。この供
給量と回収量との差に相当する空気（以下、過剰空気と
いう）は、常時系外から循環空気中に補給空気として補
給される。

【０００３】また空気を断熱膨張させる際に用いられる
膨張タービンとしては、軸受部と回転軸の微小隙間に、
ベアリングガス（軸受ガス）を供給し、このベアリング
ガスの圧力で回転軸を浮上させ、回転軸が軸受部に非接
触状態で支持されるようにされたガスベアリング式膨張
タービンが用いられている。このような膨張タービンに
用いられるベアリングガスは、その機能上、プロセス流
体（冷気）より圧力が高く、かつ低温になっても固化す
る成分を含まず清浄であることが必要である。

【０００４】図３は、従来の循環式低温空気発生装置の
一例を示すもので、ここに示す低温空気発生装置は、冷
媒空気を圧縮する圧縮機１１、圧縮熱を除去する第１の
アフタークーラー１２、圧縮冷媒空気をさらに昇圧し昇
圧冷媒空気とする昇圧機１３、昇圧熱を除去する第２の
アフタークーラー１４、昇圧冷媒空気と回収冷媒空気
（後述）を熱交換して昇圧冷媒空気を冷却するとともに
回収冷媒空気を昇温させる寒冷回収熱交換器１５、冷却
された昇圧冷媒空気を断熱膨張により降温させ低温冷媒
空気を得るガスベアリング式膨張タービン１６、この低
温冷媒空気を用いて被冷却物を冷却する冷熱消費設備２
０、タービン１６に供給するべきベアリングガスを圧縮
するベアリングガス圧縮機２３、得られた圧縮ベアリン
グガスを乾燥するベアリングガス乾燥器２４、補給空気
を圧縮する補給空気圧縮機２５、圧縮補給空気を乾燥す
る補給空気乾燥器２６を主要構成機器として備えてい
る。

【０００５】経路１９ａ〜１９ｉからなる循環ガス経路
１９は、上記各構成機器（圧縮機１１、アフタークーラ
ー１２、昇圧機１３、アフタークーラー１４、寒冷回収
熱交換器１５、膨張タービン１６、冷熱消費設備２０）
を接続し、冷熱消費設備２０からの回収冷媒空気を圧縮
機１１に循環させることができるようになっている。経
路２７ａ、２７ｂからなるベアリングガス供給経路２７
は、上記冷媒空気とは別の系統から供給され圧縮機２３
で圧縮されたベアリングガスを膨張タービン１６の軸受
部に送り込むことができるようになっている。また経路
２８は、使用済みのベアリングガスを系外に排出するベ
アリングガス排出経路である。また経路２９ａ、２９ｂ
からなる補給空気供給経路２９は、圧縮機２５で圧縮さ
れた補給空気を循環ガス経路１９（経路１９ｄ）内に送
り込むことができるようになっている。

【０００６】この装置を使用する際には、冷媒空気は、
循環ガス経路１９を通して圧縮機１１、アフタークーラ
ー１２、昇圧機１３、アフタークーラー１４、寒冷回収
熱交換器１５，膨張タービン１６，冷熱消費設備２０，
寒冷回収熱交換器１５を経て圧縮機１１に戻る過程を繰
り返して循環し、この過程で、冷熱消費設備２０内の被
冷却物を冷却する。またこの際、補給空気供給経路２９
を通して常時補給空気を循環ガス経路１９内に送り込
み、冷熱消費設備２０内への冷媒空気供給量を大きく設
定し、冷熱消費設備２０内が陰圧になるのを防ぎ、該設
備内への外気の侵入を防ぐ。一方、ベアリングガスは、
上記冷媒空気とは別の系統から供給されベアリングガス
圧縮機２３において圧縮され、乾燥器２４で乾燥された
後に膨張タービン１６の軸受部に供給される。使用済み
ベアリングガスは、排出経路２８を通して系外に排出さ
れる。しかしながら、上記方法では、ランニングコスト
およびイニシャルコストが嵩む不満があり、これらを削
減し得る方法が要望されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ランニング
コストおよびイニシャルコストを削減し得る低温空気発
生方法および装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の低温空気発生方
法は、冷媒空気を圧縮機で圧縮して得られた圧縮冷媒空
気を、ガスベアリング式膨張タービンを用いて断熱膨張
により降温させ低温冷媒空気とし、この低温冷媒空気
を、外気に通じる開口部を有する冷熱消費設備内に導入
して該設備内の被冷却物を冷却し、被冷却物を冷却した
後の冷媒空気を前記圧縮機に循環させるに際し、前記膨
張タービンの軸受ガスとして使用した後のベアリングガ
スを回収し、前記冷媒空気に合流させることを特徴とす
る。ベアリングガスを回収する際の該ガスの圧力は−２
００〜１００ｍｍＡｑとするのが好ましい。本発明の低
温空気発生装置は、冷媒空気を圧縮する圧縮機と、圧縮
された冷媒空気を断熱膨張により降温させ低温冷媒空気
とするガスベアリング式膨張タービンと、外気に通じる
開口部を有し前記低温冷媒空気を用いて被冷却物を冷却
する冷熱消費設備と、前記冷熱消費設備で被冷却物を冷
却した後の冷媒空気を前記圧縮機に循環させる循環ガス
経路を備え、該循環ガス経路に、前記膨張タービンの軸
受ガスとして使用した後のベアリングガスを循環ガス経
路内の冷媒空気に合流させるベアリングガス合流経路を
接続したことを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明を適用した低温空
気発生装置の一実施形態例を示す系統図である。この装
置は、冷媒空気を所定圧力まで圧縮し圧縮冷媒空気とす
る圧縮機１１、圧縮熱を除去する第１のアフタークーラ
ー１２、圧縮冷媒空気をさらに昇圧し昇圧冷媒空気とす
る昇圧機１３、昇圧熱を除去する第２のアフタークーラ
ー１４、昇圧冷媒空気と回収冷媒空気（後述）を熱交換
して昇圧冷媒空気を冷却するとともに回収冷媒空気を昇
温させる寒冷回収熱交換器１５、冷却された昇圧冷媒空
気を断熱膨張により降温させ低温冷媒空気を得るガスベ
アリング式膨張タービン１６、この低温冷媒空気を用い
て被冷却物を冷却する冷熱消費設備２０、タービン１６
へ供給するべきベアリングガスを圧縮するベアリングガ
ス圧縮機２３、圧縮されたベアリングガスを乾燥するベ
アリングガス乾燥器２４を主要構成機器として備える。

【００１０】経路１９ａ〜１９ｉからなる循環ガス経路
１９は、上記各構成機器（圧縮機１１、アフタークーラ
ー１２、昇圧機１３、アフタークーラー１４、寒冷回収
熱交換器１５、膨張タービン１６、冷熱消費設備２０）
を接続し、冷熱消費設備２０からの回収冷媒空気を圧縮
機１１に循環させることができるようになっている。経
路３０ａ、３０ｂからなるベアリングガス供給経路３０
は、上記冷媒空気とは別の系統から供給されたベアリン
グガスを圧縮機２３、乾燥器２４を経て膨張タービン１
６内に送り込むことができるようになっている。

【００１１】ここに示す低温空気発生装置において、経
路３１は、膨張タービン１６と循環ガス経路１９（冷熱
消費設備２０の下流側の経路である経路１９ｇ）との間
に設けられたベアリングガス合流経路であり、膨張ター
ビン１６の軸受部で使用した後の使用済みベアリングガ
スを回収し、循環ガス経路１９内の冷媒空気に合流させ
ることができるようになっている。

【００１２】経路３２は、ベアリングガス供給経路３０
内のベアリングガスの一部を循環ガス経路１９に補給す
る補給経路であり、圧縮機１１の軸受軸封部から冷媒空
気が漏れることなどにより経路１９内の循環冷媒空気の
一部が失われる場合などに、必要に応じてベアリングガ
ス供給経路３０内のベアリングガスの一部を補給経路３
２を通して循環ガス経路１９内に補給することができる
ようになっている。

【００１３】昇圧機１３は、膨張タービン１６と同一軸
に取り付けられ膨張タービン１６の回転力で駆動される
ようになっている。

【００１４】冷熱消費設備２０は、外気に通じる被冷却
物搬出入口などの開口部を有する冷熱消費設備である。
図２は、冷熱消費設備２０として食品凍結装置１７を使
用した場合の低温空気発生装置の構成を示すものであ
る。この図において、符号２２は、大気に開放された被
凍結物搬出入口である開口部を示し、符号２１は被凍結
物（被冷却物）である食品を示す。

【００１５】以下、図１に示す装置の使用例を説明す
る。冷媒空気を圧縮機１１で所定の圧力に圧縮した圧縮
冷媒空気は経路１９ａを通り、第１のアフタークーラー
１２で冷却水や大気と熱交換して圧縮熱が除去される。
圧縮冷媒空気は、経路１９ｂを通って昇圧機１３に至
り、ここでさらに昇圧されて昇圧冷媒空気となり、経路
１９ｃを通って第２のアフタークーラー１４で昇圧熱が
除去され、経路１９ｄを通って寒冷回収熱交換器１５に
導入され、後述する回収冷媒空気と熱交換して冷却さ
れ、経路１９ｅから膨張タービン１６に導入される。膨
張タービン１６に導入された冷媒空気は、断熱膨張によ
り降温して低温冷媒空気となり、経路１９ｆを通って冷
熱消費設備２０に供給される。

【００１６】冷熱消費設備２０（食品凍結装置１７）に
供給された低温冷媒空気は、被冷却物（食品２１）と熱
交換しこれを冷却する。この際、冷媒空気の一部は、開
口部（開口部２２）を通して外部に逃散する。被冷却物
を冷却した後の冷媒空気は、経路１９ｇを通して回収さ
れ、この回収冷媒空気は経路１９ｈを通り寒冷回収熱交
換器１５に導かれ、前記膨張タービン１６に導入される
昇圧冷媒空気と熱交換して昇圧冷媒空気を冷却すること
により自身は常温付近まで昇温し、昇温することによっ
て乾燥状態となって経路１９ｉから圧縮機１１に循環す
る。

【００１７】同時に、空気をベアリングガスとしてベア
リングガス圧縮機２３で圧縮し、ベアリングガス供給経
路３０（経路３０ａ）を経て乾燥器２４で乾燥させた後
に、経路３０ｂを通して膨張タービン１６に供給する。

【００１８】膨張タービン１６の軸受部で軸受ガスとし
て使用された使用済みのベアリングガスは、ベアリング
ガス合流経路３１を通して回収し、循環ガス経路１９に
合流させる。膨張タービン１６の軸受部のベアリングガ
スをベアリングガス合流経路３１に回収する際のベアリ
ングガスの圧力は、−２００〜１００ｍｍＡｑとするの
が望ましい。この圧力が上記範囲未満であると、タービ
ン１６内部において冷媒空気がベアリング部分に漏出し
やすくなり、またタービン１６の軸受部入口圧と出口圧
との差が大きくなりベアリングガス流量が増加し過ぎる
ため好ましくない。またこの圧力が上記範囲を越える
と、必要なベアリングガス流量が確保しにくくなり膨張
タービン１６の軸受部における回転軸支持力が低下す
る。またこの流量を高めるために圧縮機２３の吐出圧力
を高めるとランニングコストの点で不利となる。このよ
うなベアリングガス回収圧力の条件で、ベアリングガス
合流経路３１を循環ガス経路１９に接続可能な位置は、
膨張タービン１６の吐出側（１９ｆ）から圧縮機１１の
吸入側（１９ｉ）までの循環経路である。

【００１９】ベアリングガス合流経路３１を通して循環
ガス経路１９に供給されたベアリングガスは、冷媒空気
への補給空気として機能する。すなわち、このベアリン
グガスにより冷熱消費設備２０への冷媒空気供給量が高
められることによって、冷熱消費設備２０において冷媒
空気の一部が外部に逃散する場合でも冷熱消費設備２０
内が陰圧になるのを防ぎ、冷熱消費設備２０内への外気
の侵入を最小限に抑えることができる。

【００２０】また圧縮機１１の軸封部から冷媒空気が漏
れることなどにより経路１９を循環する冷媒空気の一部
が失われ、回収するベアリングガスのみで過剰空気が確
保できない場合などには、必要に応じてベアリングガス
供給経路３０内のベアリングガスの一部を補給空気供給
経路３２を通して循環ガス経路１９内に補給してもよ
い。

【００２１】上記低温空気発生方法では、膨張タービン
１６において使用した使用済みベアリングガスを回収し
ベアリングガス合流経路３１を通して循環ガス経路１９
内の冷媒空気に合流させるので、以下に示す効果を得る
ことができる。 （１）使用済みベアリングガスの冷熱を有効に利用し、
装置のエネルギー効率を高め、ランニングコスト削減を
図ることができる。 （２）上記使用済みベアリングガスは、補給空気として
も機能するため、従来必要であった補給空気供給用の設
備が不要となる。このため、設備コストを削減し、イニ
シャルコストを低く抑えることができる。 （３）上記使用済みベアリングガスは、膨張タービン１
６に供給する際に乾燥器２４によって既に十分に乾燥状
態とされたものであるため、乾燥器を別途設ける必要が
ない。よってイニシャルコストを低く抑えることができ
る。

【００２２】次に、図２に示す装置の具体的な使用例を
説明する。圧縮機１１で圧縮された圧縮冷媒空気を、ア
フタークーラー１２で冷却し、昇圧機１３において昇圧
させた。次いでアフタークーラー１４を経た冷媒空気
を、寒冷回収熱交換器１５において−４０℃に冷却し、
膨張タービン１６に導入した。膨張タービン１６におけ
る断熱膨張により温度が−８０℃となった冷媒空気を、
食品凍結装置１７に導入した。

【００２３】一方、ベアリングガス圧縮機２３で圧縮さ
れ、乾燥器２４で露点−５０℃（大気圧下）となったベ
アリングガス（５ｋｇ／ｃｍ²）を、ベアリングガス供
給経路３０を通して膨張タービン１６に流量３０Ｎｍ³
／ｈで供給した。使用済みのベアリングガス（温度０
℃、圧力−９０ｍｍＡｑ）は、ベアリングガス合流経路
３１を通して回収し、循環ガス経路１９に合流させた。
また、圧縮機１１における冷媒空気の漏れ（１０Ｎｍ³
／ｈ）を補うため、補給経路３２を通してベアリングガ
スを循環ガス経路１９に補給した（１０Ｎｍ³／ｈ）。
各経路におけるガス流量、温度、圧力を表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】このように、この使用例では、経路１９
（経路１９ｆ）を通して食品凍結装置１７に供給される
低温冷媒空気の流量は２８５０Ｎｍ³／ｈ、冷熱消費設
備２０から経路１９（経路１９ｇ）に回収される回収冷
媒空気の流量は２８２０Ｎｍ³／ｈであり、冷媒空気の
供給量を回収量より多く、即ち過剰空気量を３０Ｎｍ³
／ｈに確保することができたことがわかる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の低温空気
発生方法および装置にあっては、膨張タービンにおいて
使用した後のベアリングガスを回収し、冷媒空気に合流
させるので、以下に示す効果を得ることができる。 （１）使用済みベアリングガスの冷熱を有効に利用し、
装置のエネルギー効率を高め、ランニングコスト削減を
図ることができる。 （２）上記使用済みベアリングガスは、補給空気として
も機能するため、従来必要であった補給空気供給用の設
備が不要となる。このため、設備コストを削減し、イニ
シャルコストを低く抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の低温空気発生装置の一実施形態例を
示す概略構成図である。

【図２】 図１に示す低温空気発生装置において、冷熱
消費設備として食品凍結装置を用いた場合の概略構成を
示す図である。

【図３】 従来の低温空気発生装置の一例を示す概略構
成図である。

【符号の説明】

１１・・・圧縮機、１６・・・膨張タービン、１７・・・食品凍
結装置、１９・・・循環ガス経路、２０・・・冷熱消費設備、
２２・・・開口部、３１・・・ベアリングガス合流経路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒空気を圧縮機で圧縮して得られた圧
   縮冷媒空気を、ガスベアリング式膨張タービンを用いて
   断熱膨張により降温させ低温冷媒空気とし、この低温冷
   媒空気を、外気に通じる開口部を有する冷熱消費設備内
   に導入して該設備内の被冷却物を冷却し、被冷却物を冷
   却した後の冷媒空気を前記圧縮機に循環させる低温空気
   発生方法であって、 前記膨張タービンの軸受ガスとして使用した後のベアリ
   ングガスを回収し、前記冷媒空気に合流させることを特
   徴とする低温空気発生方法。
2. 【請求項２】 ベアリングガスを回収する際の該ガスの
   圧力を−２００〜１００ｍｍＡｑとすることを特徴とす
   る請求項１記載の低温空気発生方法。
3. 【請求項３】 冷媒空気を圧縮する圧縮機と、圧縮され
   た冷媒空気を断熱膨張により降温させ低温冷媒空気とす
   るガスベアリング式膨張タービンと、外気に通じる開口
   部を有し前記低温冷媒空気を用いて被冷却物を冷却する
   冷熱消費設備と、該設備で被冷却物を冷却した後の冷媒
   空気を前記圧縮機に循環させる循環ガス経路を備え、 該循環ガス経路に、前記膨張タービンの軸受ガスとして
   使用した後のベアリングガスを循環ガス経路内の冷媒空
   気に合流させるベアリングガス合流経路が接続されてい
   ることを特徴とする低温空気発生装置。