JP2002310523A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 食品等の極低温による急速冷凍ができる急速
冷凍装置を備えた冷凍装置を提供する。 【解決手段】 空気冷媒を断熱圧縮する圧縮タービン２
１と、空気冷媒を断熱膨張させる膨張タービン２３と、
前記圧縮タービン２１と前記膨張タービン２３とを軸２
４を介して連結し、該軸２４を駆動するモータ２５と、
前記圧縮タービン２１により断熱圧縮された空気冷媒を
冷却するマイクロコンプレッサ／タービン用熱交換器２
２とを有するマイクロコンプレッサ／タービン装置２０
を備え、前記マイクロコンプレッサ／タービン装置２０
によって冷却された空気冷媒が送入される急冷室２６が
さらに設けられている冷凍装置１０を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷気により食品等
を冷凍冷蔵保存する冷凍装置に係り、特に、極低温の冷
気を生成する急速冷凍装置を備えた冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】冷凍装置は、熱交換器である冷却器（蒸
発器）と凝縮器を備え、圧縮機を用いて冷媒を循環させ
る。冷媒は冷却器内部を通過する際に対象空間である冷
凍室内の熱を吸収し冷却するものである。ここで用いら
れる冷媒はフロンを使用することが一般的であり、高温
高圧気体を生成する圧縮機、高温高圧液体を生成する凝
縮器、低温低圧気液二相流体を生成する膨張機構、低温
低圧気体を生成する冷却器により冷媒を物理的に循環さ
せ冷凍室内の冷却を実現している。

【０００３】しかし、従来の冷媒回路による冷凍サイク
ルにおいては冷凍能力の限界があり、生鮮食品を冷凍保
存する際に時間を要し、このことは解凍後の鮮度低下を
助長していた。これは最終到達冷凍温度が−２０℃付近
を限界としているため、この温度によって食品の細胞に
含まれる水分が固化するまでの時間が決まってしまうた
めである。また、水分が固化する際に膨張しやすい−１
℃〜−５℃を通過する冷凍時間が長い場合、細胞の水分
膨張の傾向がさらに大きくなる。細胞内の水分が膨張し
て固化してしまうと、細胞壁を破壊することになり、生
鮮食品を解凍する際に細胞内のうまみ成分が含まれた液
体であるドリップが流出し、さらには、細胞壁の形状が
変形される。よって、これらのことで味覚と食感とが低
下し、結果として鮮度が落ちることになる。一方で、最
終到達冷凍温度が低ければ低いほど食品の栄養価の損失
を抑えられるため、長期保存を考慮した場合、現状の最
終到達冷凍温度では特に問題とされている。

【０００４】前述のように、食品の鮮度を保ち長期保存
することは冷凍温度を極端に下げることで回避すること
ができる。すでに事業所などで使用される大型冷凍装置
においては、高圧電源等を用いた圧縮機等を使用するこ
となどによって冷凍温度の低下が達成されている。しか
し家庭用の冷凍装置においては、冷凍から冷蔵まで各々
の食品にあった温度を提供する必要があり、極低温空間
を実現することは既存の冷凍サイクルでは困難とされて
いる。

【０００５】近年、家庭用冷凍装置の急速冷凍技術は−
２０℃付近まで可能である。これは冷凍専用の圧縮機及
び冷却器を用いた構成とし、高効率な圧縮機を備えるこ
とによって達成されている。しかし、冷媒の基本的な循
環サイクルは従来通りであり、且つ圧縮機を運転させる
電力が家庭用電源という理由により、最終到達冷凍温度
は−２０℃付近が限界とされている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、家庭用
冷凍装置においての最終到達冷凍温度は−２０℃付近を
限界としている。また、−２０℃にて食品を冷凍して
も、実際はドアの開閉による温度上昇と食品の吸熱によ
る温度上昇とが生じる。このような環境下における温度
で生鮮食品が冷凍されると、前述したように食品の細胞
が膨張して凍結されることになる。これによって、細胞
壁が破壊され、解凍した際に細胞内部にあるドリップが
細胞壁から流失し、また、細胞壁の破壊による筋肉繊維
の劣化が発生し、味覚の低下が起こる可能性が高い。長
期保存においても冷凍温度が高い場合は、栄養価を維持
する効果が薄れることになる。確実な食品の冷凍保存を
行うには−２０℃を下回る極低温の環境を作る必要があ
り、同時に家庭用の電源で小型且つ多用な食品の冷蔵保
存を満足する必要もある。よって極低温の冷媒を生成で
きる急速冷凍装置を用いて極低温環境の急冷室を備えた
家庭用の冷凍装置の実現が求められる。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、食品等の極低温による急速冷凍ができる急速冷凍装
置を備えた冷凍装置を提供すること目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に本発明においては以下の手段を用いることとした。請
求項１に記載の冷凍装置は、冷媒を圧縮するための圧縮
機と、該圧縮機から吐出された冷媒を液化させる凝縮器
と、冷凍室を冷却するための冷却器と、冷媒を減圧膨張
させる膨張機構とを用いて冷凍サイクルが構成された冷
凍庫本体を備えた冷凍装置において、空気冷媒を断熱圧
縮する圧縮タービンと、空気冷媒を断熱膨張させる膨張
タービンと、前記圧縮タービンと前記膨張タービンとを
軸を介して連結し、該軸を駆動するモータと、前記圧縮
タービンにより断熱圧縮された空気冷媒を冷却する熱交
換器とを有するマイクロコンプレッサ／タービン装置を
さらに備え、前記冷凍装置には、該マイクロコンプレッ
サ／タービン装置によって冷却された空気冷媒が送入さ
れる急冷室が設けられていることを特徴としている。

【０００９】このような構成としたことで、急速冷凍装
置であるマイクロコンプレッサ／タービン装置を冷凍装
置の一部機能として設けることになり、−２０℃以下か
ら最高−９０℃という極低温な空気冷媒を、直接対象空
間である急冷室に送ることになる。また、冷凍庫本体の
冷凍機能と分離された極低温空間が構成されることにな
る。

【００１０】請求項２に記載の冷凍装置によれば、請求
項１記載の冷凍装置であって、前記マイクロコンプレッ
サ／タービン装置の前記熱交換器は、前記冷凍庫本体の
冷媒回路を循環する冷媒によって熱交換されることを特
徴としている。

【００１１】このような構成としたことで、マイクロコ
ンプレッサ／タービン装置の熱交換器は、冷凍庫本体の
冷媒回路を循環する冷媒によって冷却されることにな
る。

【００１２】請求項３に記載の冷凍装置によれば、請求
項１又は２記載の冷凍装置であって、前記膨張機構は、
前記冷凍庫本体の前記冷却器よりも上流側と、前記マイ
クロコンプレッサ／タービン装置の前記熱交換器よりも
上流側とにそれぞれ設けられていることを特徴としてい
る。

【００１３】このような構成としたことで、冷凍庫本体
の冷媒回路に膨張機構が２つ備わることになる。膨張機
構は、冷却器へ流れる冷媒の冷却器よりも上流側と、マ
イクロタービン装置の熱交換器へ流れる冷媒の熱交換器
よりも上流側とにそれぞれ設けられる。それぞれの膨張
機構は、冷凍庫本体の冷媒回路を流れる冷媒を、配分す
る役目を担うことになる。

【００１４】請求項４に記載の冷凍装置によれば、請求
項１〜３記載の冷凍装置であって、前記冷却器は、冷蔵
機能も有することを特徴としている。

【００１５】このような構成としたことで、極低温の急
冷室と、低温空間の冷蔵機能を備えた冷凍装置となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て、図１を用いて説明する。

【００１７】図１に示される冷凍装置１０は、本発明の
一実施形態における冷媒の流れを模式的に表した概略構
成図である。この冷凍装置１０は、冷凍庫本体１０ａ
と、急速冷凍装置１０ｂとから構成されている。

【００１８】図１において、冷凍庫本体１０ａは、冷媒
を圧縮する圧縮機１１と、冷媒を液化させる凝縮器１２
と、冷媒を膨張させる膨張機構１４と、冷媒を気化させ
冷凍室内を冷却する冷却器（蒸発器）１３と、これら各
機器を連通させる本体冷媒配管１６とを備えた冷凍庫本
体冷媒回路１５を形成している。また、冷却器１３によ
って冷却された空気を送風する冷却ファン１７を備えて
いる。また、冷凍装置１０の一部を構成する急速冷凍装
置１０ｂは、後述するマイクロタービン装置２０と、極
低温の空気冷媒によって冷却される急冷室２６と、これ
らを連通させる空気冷媒配管２７とを備えた急速冷凍用
冷媒回路２８を形成している。

【００１９】冷凍庫本体１０ａにおける熱交換サイクル
について説明する。冷凍庫本体１０ａに用いられる冷媒
を圧縮するための圧縮機１１は、図示されないモータに
より駆動され、低温低圧気体の冷媒を高温高圧気体の冷
媒に圧縮して凝縮器１２に供給する。凝縮器１２に供給
された冷媒は、放熱されることで高温高圧液体に変化す
る。液化された冷媒は、膨張機構１４にて低温低圧の気
液二相流体に変化し、冷却器１３に供給される。冷却器
１３にて冷媒は熱を吸収し、低温低圧気体となって圧縮
機１１に戻される経路を辿る。冷却器１３にて吸熱され
た空気は、図示さないモータによって回転する冷却ファ
ン１７によって冷凍庫本体１０ａの冷凍室内に送られ
る。

【００２０】次に急速冷凍装置１０ｂについて説明す
る。マイクロコンプレッサ／タービン装置２０は、空気
を冷媒としており、空気冷媒を断熱圧縮する圧縮タービ
ン２１と、空気冷媒を断熱膨張させる膨張タービン２３
と、前記圧縮タービン２１と前記膨張タービン２３とを
軸２４にて併設し中間に動力源として設けられた電動機
２５（モータ）と、前記圧縮タービン２１により断熱圧
縮された空気冷媒を冷却するマイクロコンプレッサ／タ
ービン用熱交換器２２（熱交換器）とから構成されてい
る。

【００２１】次に急速冷凍装置１０ｂにおける熱交換サ
イクルについて説明する。マイクロコンプレッサ／ター
ビン装置２０の圧縮タービン２１を用いて、急冷室２６
内にある空気を吸引し圧縮する。圧縮された空気は、１
００℃程度の温度の０．２ＭＰａ〜０．３ＭＰａの圧力
を有する高温の空気冷媒となる。その後、空気冷媒は、
後述するマイクロコンプレッサ／タービン用熱交換器２
２によって冷却されて−２０℃〜３０℃の温度になり、
膨張タービン２３に供給される。供給された空気冷媒
は、自らの流動エネルギーにて膨張タービン２３を回転
させ断熱膨張する。ここで前記各タービン及び電動機２
５（モータ）は軸２４にて連結されており、膨張タービ
ン２３を回転させること、及び電動機２５を回転させる
負荷を用いることによって空気冷媒の断熱膨張が可能と
なる。また、これにより電動機２５を回転させたエネル
ギーは回生することができるようになる。膨張タービン
２３から送出された空気冷媒は、−２０℃〜−９０℃の
極低温とされた空気となって急冷室２６に送られ、急冷
室２６にある食品等の被対象物と直接的に熱交換を行う
ことになる。急冷室２６は、冷凍装置１０の一部を構成
する急速冷凍装置１０ｂとして設けられ、冷凍庫本体１
０ａの図示しない冷凍室と並置される。マイクロコンプ
レッサ／タービン装置２０は、急冷室２６の容量に合わ
せて仕様が決定され、冷凍装置１０の急速冷凍装置１０
ｂの内部に設けられる。

【００２２】前述したマイクロコンプレッサ／タービン
用熱交換器２２における熱交換方法について説明する。
冷凍庫本体１０ａの冷凍サイクルにおいて、膨張機構１
４を通過した低温低圧体冷媒の一部は、別系統の本体冷
媒配管１６ａを流れ、マイクロタービン用熱交換器２２
に導かれる。このマイクロコンプレッサ／タービン用熱
交換器２２において圧縮タービン２１から送出された高
温の空気冷媒と、別系統の本体冷媒配管１６ａを流れて
きた低温低圧冷媒との間で熱交換が行われる。熱交換さ
れた本体冷媒は圧縮機１１に戻され、冷却された空気冷
媒は膨張タービン２３に導かれることになる。

【００２３】このように構成された冷凍装置１０は、極
低温な環境の急冷室２６を備えているため、食品等の冷
凍過程による細胞の破壊を防ぎ、栄養価の損失を抑えて
冷凍することができる。また、冷凍庫本体１０ａと一体
化された冷凍装置１０であり、冷蔵機能を備えているた
め、多品目の食品の保存温度を提供することができるも
のとなる。

【００２４】図２に示される冷媒回路は、図１の膨張機
構１４を２つの膨張機構１４ａ、１４ｂに変更した変形
例を示している。これらの各膨張機構１４ａ、１４ｂ
は、マイクロコンプレッサ／タービン用熱交換器２２へ
向かう別系統の本体冷媒配管１６ａの分岐部付近に設け
られた分岐側膨張機構１４ｂと、冷凍庫本体１０ａの冷
却器１３へ向かう本体冷媒配管１６の分岐部付近に設け
られた本体側膨張機構１４ａである。なお、前記分岐部
とは、本体冷媒配管１６が冷却器１３とマイクロコンプ
レッサ／タービン用熱交換器２２とに分かれる位置であ
る。それぞれの各膨張機構１４ａ、１４ｂは、冷凍庫本
体１０ａの冷凍庫本体冷媒回路１５を流れる冷媒を、配
分する役目を担うことになる。これらの各膨張機構１４
ａ、１４ｂを調整することにより、通過する冷媒の量を
調整して冷媒の膨張率を変化させて、冷却能力を使用目
的に合わせて温度管理をすることができるようになる。

【００２５】例えば、急冷室２６の温度を下げたい場合
には、分岐側膨張機構１４ｂの絞る割合をあげて、膨張
率を大きくさせる。この場合、マイクロコンプレッサ／
タービン装置２０の熱交換器２２にて空気冷媒が冷却さ
れる効果が高まり、結果として急冷室２６の温度を下げ
ることとなる。また、急冷室２６の温度を、極低温の状
態と比較して高めに設定したい場合、分岐側膨張機構１
４ｂの絞る割合を下げて、膨張率を小さくさせる。この
場合、マイクロコンプレッサ／タービン装置２０の熱交
換器２２にて空気冷媒が冷却される効果が低くなり、結
果として急冷室２６の温度を上げることとなる。同様
に、冷却器１３によって冷却される冷凍室の温度を下げ
たい場合には、本体側膨張機構１４ａの絞る割合をあ
げ、一方、冷凍室の温度を上げたい場合には、本体側膨
張機構１４ａの絞る割合を下げることにより、冷凍室の
温度を調整することができるようになる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る冷凍
装置によれば、以下のような効果が得られる。請求項１
の発明によれば、マイクロコンプレッサ／タービン装置
及び急冷室が冷凍装置に設けられた構成を採用すること
により、家庭用電源及び従来の圧縮機によって、極低温
の空気冷媒が生成されるマイクロコンプレッサ／タービ
ン装置及び、生成された極低温な空気が送入される急冷
室とが家庭用の冷凍装置に設けられることになる。よっ
て、空気冷媒を用いて被対象物との直接的な熱交換が行
われ、熱交換率の向上が得られることになる。また、急
速冷凍により食品の細胞内にある水分の膨張を抑制し、
食品の鮮度を保って冷凍保存することが可能となる。さ
らに、極低温冷凍の利点から食品栄養価の損失を抑制で
きる。さらに、マイクロコンプレッサ／タービン装置の
導入により、極低温の冷気を生成する工程は、圧縮ター
ビンと膨張タービンと、モータを互いに連結することで
回生エネルギーの利用を実現し、電力等のランニングコ
ストを抑えることができる。このような極低温の急冷室
を備えた多機能な冷凍装置を提供することが実現でき
る。

【００２７】請求項２の発明によれば、マイクロコンプ
レッサ／タービン装置の熱交換器における空気の冷却工
程は、冷凍庫本体の冷凍庫本体冷媒回路によって冷却さ
れることにより、新たに冷媒回路を設ける必要はなく、
構造の簡略化及び小型化が実現できる。

【００２８】請求項３の発明によれば、マイクロコンプ
レッサ／タービン装置の熱交換器を流れる冷媒回路と、
冷却器を流れる冷媒回路とにそれぞれ膨張機構が設けら
れた構成により、急冷室及び冷凍室の冷凍温度をそれぞ
れ調整することができ、様々な食品に合致した合理的な
冷凍が行えるようになる。

【００２９】請求項４の発明によれば、冷却器は冷蔵機
能を有することにより、冷蔵から冷凍、及び極低温冷凍
までの幅広い温度帯を有する冷凍装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る急速冷凍装置を備える冷凍装置
の一実施形態を示す概略構成図である。

【図２】 図１における膨張機構を変更した変形例を示
す概略構成図である。

【符号の説明】

１０ 冷凍装置 １０ａ 冷凍庫本体 １０ｂ 急速冷凍装置 １１ 圧縮機 １２ 凝縮器 １３ 冷却器（蒸発器） １４ 膨張機構 １６ 本体冷媒配管 １７ 冷却ファン ２０ マイクロコンプレッサ／タービン装置 ２１ 圧縮タービン ２２ マイクロコンプレッサ／タービン用熱交換器（熱
交換器） ２３ 膨張タービン ２５ 電動機（モータ） ２６ 急冷室 ２７ 空気冷媒配管 ２８ 急速冷凍用冷媒回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷媒を圧縮するための圧縮機と、該圧縮
   機から吐出された冷媒を液化させる凝縮器と、冷凍室を
   冷却するための冷却器と、冷媒を減圧膨張させる膨張機
   構とを用いて冷凍サイクルが構成された冷凍庫本体を備
   えた冷凍装置において、 空気冷媒を断熱圧縮する圧縮タービンと、空気冷媒を断
   熱膨張させる膨張タービンと、前記圧縮タービンと前記
   膨張タービンとを軸を介して連結し、該軸を駆動するモ
   ータと、前記圧縮タービンにより断熱圧縮された空気冷
   媒を冷却する熱交換器とを有するマイクロコンプレッサ
   ／タービン装置をさらに備え、 前記冷凍装置には、該マイクロコンプレッサ／タービン
   装置によって冷却された空気冷媒が送入される急冷室が
   設けられていることを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 前記マイクロコンプレッサ／タービン装
   置の前記熱交換器は、前記冷凍庫本体の冷媒回路を循環
   する冷媒によって熱交換されることを特徴とする請求項
   １記載の冷凍装置。
3. 【請求項３】 前記膨張機構は、前記冷凍庫本体の前記
   冷却器よりも上流側と、前記マイクロコンプレッサ／タ
   ービン装置の前記熱交換器よりも上流側とにそれぞれ設
   けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷
   凍装置。
4. 【請求項４】 前記冷却器は、冷蔵機能も有することを
   特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の冷凍装
   置。