JP2003279202A - 低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイク
ルにおいて、当該冷凍システムの運転停止時に形成され
低元冷凍サイクル内に充満する高圧高温ガスをサイクル
外に放出させ、ガスハイドレートにより回収し還流を可
能とした、低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法とそ
の装置を提供する。 【構成】 本発明の冷媒ガス回収装置１０は、タンク１
０ｂと制御部１４と冷熱源１２と回収管路１５、１６と
より構成し、低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０の圧縮機の吸
入側と吐出側に結合させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多元冷凍システム
を形成する低元冷凍サイクルにおいて、当該冷凍システ
ムの運転停止時に形成され低元冷凍サイクル内に充満す
る高圧高温ガスをサイクル外に放出させ、放出冷媒ガス
をガスハイドレートにより回収するようにした低元冷凍
サイクルの冷媒ガスの回収方法とその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に−７０℃程度以下の冷熱源には、
二元冷凍システムを使用し、低元側には低温下でもある
程度圧力があり、且つ比体積の小さい低沸点の例えばメ
タン、エタン、ＣＯ_２、プロパン、窒素等の冷媒を使用
し、高元側冷凍サイクルには一般冷媒を使用した他の冷
凍機を使用して多元冷凍システムを構成し、前記低元冷
凍サイクルの冷媒を圧力の低い低温で凝縮させ、前記異
なる冷媒を使用した二つの冷凍サイクルを組み合わせて
低温を得るようにし、−１２０℃位までの低温を得るよ
うにしている。

【０００３】上記多元冷凍システムの構成について、例
えば高元側にアンモニア冷媒を使用し、低元側の二酸化
炭素を使用した二元冷凍サイクルにより、その構成を下
記に説明する。則ち、二元冷凍サイクルは、図５に示す
ように、膨張タンク６０を設けた低元ＣＯ_２冷凍サイク
ル５０と高元側アンモニア冷凍サイクル５１とよりな
り、該冷凍サイクル５１の蒸発器５９と低元側カスケー
ドコンデンサ５４とを熱交換させ、高元側冷凍サイクル
のアンモニア冷媒の蒸発潜熱により低元冷凍サイクルの
冷媒であるＣＯ_２ガスを凝縮させている。図に見るよう
に高元側圧縮機５７により圧縮されたアンモニア冷媒は
凝縮器５８で冷却水により凝縮され蒸発器５９で発生さ
せた冷熱を介して低元側のカスケードコンデンサ５４で
の熱交換により低元側冷媒のＣＯ_２の凝縮熱を奪い、凝
縮された低元側冷媒は膨張弁６１を経由して下流の蒸発
器５５を介して冷却負荷５６を冷却する構成にしてあ
る。

【０００４】上記構成よりなる二元冷凍サイクルにおい
て、高元側アンモニア冷凍サイクル５１が運転を停止し
た場合は、低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０における圧縮機
５３により圧縮された高圧高温ＣＯ_２ガスは、前記冷却
機能を停止した高元側冷凍サイクルの蒸発器５９で冷却
されることなく高温ガスの状態でカスケードコンデンサ
５４を通過する。そのため当該低元冷凍サイクルは高温
高圧ＣＯ_２ガスで充満する。この過度的膨張を吸収する
ため、低元冷凍サイクルの圧縮機５３の両端には大容積
の耐圧膨張タンク６０を配設し、膨張した冷媒ガスを放
出させ過渡的膨張を吸収するようにしてある。そして、
上記膨張タンク６０の容量は、冷媒の液状の時の体積と
ガスの時の体積の比が１／６００であるため、低元冷凍
サイクルの液保有量の約６００倍の容積が必要とされて
いる。そして、前記膨張タンクの耐圧強度は少なくとも
低元側冷媒の常温飽和圧以上に構成するとともに、低元
冷凍サイクルの冷媒の完全なガス化の場合の耐圧強度に
対応する構成にしている。

【０００５】上記構成よりなる従来の多元冷凍システム
においては、下記要領で高元側運転停止の事態に対応さ
せている。なお、上記膨張タンク６０には圧縮機５３の
吐出側に接続する導管５３ａと吸入側に設けた導管５３
ｂを設け、 ａ、二元冷凍システムの運転中は、前記導管５３ａに付
設した弁Ｖ_Ｌを解放状態にし、導管５３ｂに付設した弁
Ｖ_Ｈを閉鎖状態に置き、膨張タンク６０内を低圧状態に
保持する。 ｂ、そして、運転停止時には、前記Ｖ_Ｈを解放しカスケ
ードコンデンサ５４を含む前後の高圧高温ＣＯ_２ガスを
膨張タンク６０に導入放出させ、サイクル内の急激な圧
力上昇を飽和圧以下に抑制する。 ｃ、さらにサイクル内の圧力が上昇する場合は、膨張タ
ンク６０に設けた安全弁を作動させる。再起動時には、
外部へ放出した低元側冷媒のＣＯ_２を補充して運転を再
開する。

【０００６】また、上記低元冷凍サイクルにおいては、
低沸点の冷媒（例えばＲ２２やＣＯ _２等）を使用してい
るため、運転停止中熱交換器やアキュームレータの中の
液冷媒とガスが共存する形で冷媒を貯蔵すると、２５℃
の外気温度では冷凍装置の許容圧力を越えた高い圧力が
掛かることになり、このためにも、液保有量の約６００
倍の膨張タンクを用意している。

【０００７】なお、二元冷凍システムにおいては、前記
高元側に起因する運転停止の場合に限らず、低元冷凍サ
イクルの圧縮機の吐出温度の上がり過ぎによる圧縮機の
運転停止や、低元冷凍サイクルのアキュームレータより
圧縮機への液戻りによる圧縮機破損や、前記膨張弁制御
の不良等の低元側に起因する冷凍システムの運転停止の
場合もあり、この場合は高元側冷凍サイクルの冷熱源は
他の部位に流用使用できる。

【０００８】ところで、冷凍サイクルの冷媒回収機に係
わる提案が、特開２００１−１１６４０７公報に「冷媒
回収装置」として開示されている。該提案によれば、図
７に示すように、回収装置８０は、空気調和器の室外機
７１に備えた二方弁７８および７９を連結するために設
けた回収口及び液戻し口とに接続され潤滑油と冷媒ガス
を分離するオイルセパレータ８３と、同オイルセパレー
タ８３に接続された冷媒を凝縮する凝縮器８４と、同凝
縮器８４と前記オイルセパレータ８３の接続管路に設置
された切り替え弁８６と、前記凝縮器８４で液化された
冷媒を貯留する回収容器８７等とを設置したもので、従
来より使用されている回収機に見られる圧縮機を配設し
た回収機の代わりに、使用冷媒が回収される被回収空気
調和機の室外機７１の圧縮機７３を使用して行なう構成
としたもので、室外機（被回収機）７１の凝縮器７５と
膨張弁７６の手前の回路を含む内部にある冷媒を同じく
室外機７１の圧縮機７３を使用して回収装置８０に送り
該装置内の凝縮器を使用液冷媒として回収している。

【０００９】また、冷媒回収機に係わる別の提案が、特
開２０００−１０５０２８公報に「冷媒回収システム」
として開示されている。該提案によれば、図６に示すよ
うに、圧縮機９２、凝縮器９３、キャピラリチューブ
（減圧装置）９４、蒸発器９５を含む被回収機１００に
おいて、前記凝縮器９３の両端に開閉弁９７、９９を設
け、冷媒回収の際は、開閉弁９９を閉鎖した後、圧縮機
９２を稼働させ矢印方向に冷媒を圧縮して前記開閉弁９
７と９９の管路の間に凝縮蓄積させ、所定時間経過後キ
ャピラリチューブ９４上流に設けた圧力計Ａにおける圧
力零の指示された時点で、前記開閉弁９７、９９を閉鎖
しその両端管路部位を分離して然るべき処理場に搬送し
て、該管路部位内の冷媒を回収する構成にしている。

【００１０】上記二つの冷媒回収の提案の何れも冷媒ガ
スを凝縮して、液冷媒として回収する方法によってい
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の多元冷凍システムにおいては、低元冷凍サイクルに使
用している冷媒には低沸点の冷媒を使用している点も原
因して、前記システムの運転停止に発生する大量の高圧
高温ガスに対応するため、低元冷凍サイクルには液保有
量の６００倍の大容量にして、且つ常温（２５℃）飽和
圧以上の耐圧強度を持つ膨張タンクの配設を必要とし、
それが高コストの原因を形成しており、何らかの対策が
強く望まれている。

【００１２】本発明は上記問題点に鑑みなされたもの
で、多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイクルにお
いて、当該冷凍システムの運転停止時に形成され低元冷
凍サイクル内に充満する高圧高温ガスをサイクル外に放
出させ、ガスハイドレートにより回収するようにした低
元冷凍サイクルの放出冷媒ガスの回収を可能とした、低
元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法とその装置の提供
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の低元冷
凍サイクルの冷媒ガスの回収方法は、多元冷凍システム
を形成する低元冷凍サイクルにおいて、該低元冷凍サイ
クルが前記システムの運転停止により惹起される高圧高
温冷媒ガスをサイクル外に放出させ、放出冷媒ガスを冷
熱源によりガスハイドレートによる回収を行なうように
したことを特徴とする。

【００１４】前記発明は、多元冷凍システムを形成する
低元冷凍サイクルの運転稼働中の冷媒が当該冷凍システ
ムの運転停止により惹起される高圧高温冷媒ガスをサイ
クル外に設けた従来の膨張タンクに代わる回収装置に放
出させ、該装置による放出冷媒ガスの回収に係わるもの
で、前記冷媒ガスを水和させるとともに冷熱源により適
当温度で冷却し、複数の水分子（Ｈ_２Ｏ）により形成さ
れた立体篭型の包接格子（クラスレート）の中に、冷媒
ガスであるハイドレート形成物質の分子を入り込ませ、
包接され当該冷媒ガスの液容量の３倍容量を持つ結晶構
造体を形成させたもので、前記回収装置を形成するハイ
ドレート生成容器の容量も従来の膨張タンクに比較して
格段に小さい容量を持つ容器で代用できる。

【００１５】前記ガスハイドレートは、天然ガスの水和
物を指し、複数の水分子（Ｈ_２Ｏ）により形成された立
体篭型の包接格子（クラスレート）の中に、天然ガスの
各成分を構成するハイドレート形成物質（メタン、エタ
ン、プロパン）等の分子が入り込み包接された結晶構造
をなすもので、高密度ガス包蔵性を持ち、氷と同量の冷
熱を発生する。例えばメタンハイドレートの安定に存在
し得る条件下、則ち、−３０℃の大気圧下（約０．１Ｍ
Ｐａ）においては、気体状態と比較して約１／１７０の
体積を持つ構造体で形成される。且つこのようにガスハ
イドレートは比較的容易に得られる温度・圧力条件下で
の製造が可能で、安定した貯蔵が可能である。

【００１６】ＣＯ_２ハイドレートは水分子の造るケージ
構造の中にＣＯ_２分子が取り込まれ、０〜−１０℃、１
０ａｔｍの雰囲気下で、撹拌のもとにクラスレート（包
接）化合物として形成される。

【００１７】また、前記低元冷凍サイクルの冷媒ガスの
回収方法において、ガスハイドレートによる回収は、低
元冷凍サイクルの設計圧力以下で回収可能とした貯蔵タ
ンクと、冷熱源とを備えたガスハイドレート生成機によ
り行なうようにするのが好ましい。

【００１８】前記発明は、前記サイクル外に放出させた
放出冷媒ガスである高圧高温冷媒ガスのハイドレート処
理をするハイドレート生成について記載したもので、前
記ハイドレート処理は、一般に、当該冷媒のハイドレー
ト生成条件下の圧力と温度のもとにハイドレート生成容
器で該容器に付設した冷熱源により低元冷凍サイクルの
設計圧力以下のもとに行なわれ、メタンハイドレート
は、−１０℃以下の温度で大気圧以上の圧力のもとに形
成されて、ＣＯ_２ハイドレートは、０〜−１０℃、１０
ａｔｍのもとに撹拌して形成される。

【００１９】また、前記低元冷凍サイクルの冷媒ガス回
収方法における冷熱源は、当該多元冷凍機の高元側冷凍
サイクルの冷熱源を使用する構成が好ましい。

【００２０】前記したように、二元冷凍システムの運転
停止は、低元冷凍サイクルの圧縮機の機能停止に基づく
運転停止もあり、この場合は稼働可能な高元側冷凍サイ
クルの冷熱源を使用する。

【００２１】そこで、本発明の多元冷凍システムを形成
する低元冷凍サイクルの放出冷媒ガスを回収する冷媒ガ
ス回収装置において、低元冷凍サイクルの高圧高温冷媒
ガスをサイクル外に放出する放出部と、放出冷媒ガスよ
り該ガスの水和物を形成し冷熱によりガスハイドレート
を生成するハイドレート生成容器と、該生成容器に付設
した冷熱源と、放出冷媒ガスの放出量の調整と冷却温度
の調整をする調整部と、より構成したことを特徴とす
る。

【００２２】前記発明は、本発明の低元冷凍サイクルの
冷媒ガスの回収方法を利用した好適な装置の構成につい
て記載したもので、回収する低元冷凍サイクルの放出冷
媒ガスをサイクル外へ導出する放出部と、放出冷媒ガス
よりその水和物を形成させるとともに冷熱により特定の
温度と圧力の生成条件のもとにガスハイドレートを生成
する生成容器と、放出冷媒ガスの放出量の調整と冷熱に
よる冷却温度を調整して前記好適な生成条件のもとにガ
スハイドレートを生成させる調整部と、前記生成時の冷
熱を供給する冷熱源とより構成されている。

【００２３】また、前記冷媒ガス回収装置における冷熱
源は、前記多元冷凍システムの高元側冷凍サイクルの冷
熱を使用する構成が好ましい。

【００２４】前記発明は、前記低元冷凍サイクルの高圧
高温冷媒のサイクル外への放出が、低元冷凍サイクルの
運転停止に起因する場合についての冷熱源の使用につき
特定したもので、この場合は高元側冷凍サイクルの冷熱
源を切り替え使用する。

【００２５】また、前記冷媒ガス回収装置における生成
容器は、回収する低元冷凍サイクルの冷媒液保有量の少
なくとも３倍以上の容積で構成するのが好ましい。

【００２６】前記発明は、前記ガスハイドレート生成容
器の容量について記載したもので、その大きさは、冷媒
液量に対し３倍の容量が必要とすることが記載され、従
来の冷媒液保有量の６００倍の容量を必要とした膨張タ
ンクと比較して顕著なコスト削減効果を上げることがで
きる。

【００２７】また、前記冷媒ガス回収装置における生成
容器は、温度調整可能な構成が好ましい。

【００２８】前記発明は、前記ハイドレート生成には冷
媒別の生成条件があり、ハイドレート生成時に前記制御
部による温度調整をして最適生成条件のもとにハイドレ
ート生成を行なうようにする。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施例
を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載され
る構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特
に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに
限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。図１
は、本発明の冷媒ガス回収装置と二元冷凍システムの低
元冷凍サイクルとを結合する管路図で、図２は図１の別
の実施例に基づく管路図で、図３は図１、図２の別の実
施例を示す管路図である。

【００３０】図１は、本発明の冷媒ガス回収装置と二元
冷凍システムの低元冷凍サイクルとを結合する管路図で
ある。図に見るように、前記二元冷凍システムは高元側
アンモニア冷凍サイクル５１と低元ＣＯ_２冷凍サイクル
５０とにより構成され、該システムに結合する本発明の
冷媒ガス回収装置１０は、ハイドレート生成容器である
タンク１０ｂと制御部１４と冷熱源１２と放出用の管路
１５、１６とより構成し、低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０
には管路１５、１６で結合させ、当該二元冷凍システム
の運転停止時には前記低元ＣＯ_２冷凍サイクル内の高圧
高温冷媒ガスであるＣＯ_２ガスを回収する構成にしてあ
る。

【００３１】前記冷媒ガス回収装置１０は、ガスハイド
レート生成機能を持ち、適量の水和用水１０ａを持つタ
ンク１０ｂ内に、前記管路１５、１６を介して低元ＣＯ
_２冷凍サイクル５０内の高圧高温ＣＯ_２ガスを導入し、
前記水和用水１０ａとの接触面で水和反応を惹起させる
とともに、冷熱源１２により最適のガスハイドレート生
成平衡条件のもとにＣＯ_２ガスのガスハイドレートを形
成する構成にしてある。

【００３２】前記最適ガスハイドレート生成平衡条件
は、ガスハイドレートを安定した状態で生成し、生成し
たガスハイドレートの貯蔵を可能とする条件で、該条件
を図４のグラフに示してある。図４に見るように、冷媒
ガスがメタンの場合は、−３０〜−１０℃の温度範囲で
大気圧以上の加圧のもとにガスハイドレートを生成す
る。ＣＯ_２ガスの場合は、０〜−１０℃，約１０気圧の
もとに生成される。図１に示すように、上記最適生成条
件は制御部１４により圧力センサ１４ａ、温度センサ１
４ｂによる（二点鎖線による指図）検出値を介して、冷
熱源１２の制御と管路１５、１６に設けたバルブ制御
（点線指図）により流量制御を行なうようにしている。
なお、上記ハイドレートの生成に使用するタンク１０ｂ
の容量は、前記低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０の冷媒液保
有量の少なくとも３倍以上の容量を必要とする。（液化
ガスに対するガスハイドレートのガス密度は１／３）

【００３３】なお、当該二元冷凍システムの運転停止が
高元側冷凍サイクルによらない場合は、図に示すように
バルブ２１ａ、２１ｂを閉鎖してバルブ２２ａ、２２ｂ
を介して高元側アンモニア冷凍サイクル５１の冷熱源Ｂ
を冷熱源１２の代わりに投入しても良い。

【００３４】上記図１の場合は、回収の初期には圧縮機
６２の吐出側管路１５より圧縮直後の高圧高温のＣＯ_２
ガスを導入し、圧力降下後は圧力センサ１４ａを介して
制御部１４を作動させ導入側を管路１５より管路１６に
切り替え、ハイドレートを効率的に行なうようにしても
良い。

【００３５】図２には図１の別の実施例に基づく管路図
が示してある。図に見るように、放出冷媒ガスの導入を
圧縮機群６２、６２、６２…の吐出側の管路１５により
行なうようにしたもので、圧縮直後の高圧高温冷媒ガス
を導入できる。上記以外の作動は図１と同様であるので
説明を省略する。

【００３６】上記図１、図２に示すガスハイドレートに
よる冷媒ガスの回収の場合は、ＣＯ _２ガスに対してはメ
タンよりも、高温、低圧の条件でガスハイドレートがで
き、且つ、生成されたガスハイドレートは、メタンの場
合は−３０℃以下、ＣＯ_２の場合は約−１０℃以下の状
態では大気圧のもとに安定した状態で貯蔵できる。

【００３７】図３には図１、図２に示す実施例の別の実
施例を示したもので、図に見るように、放出冷媒ガスの
導入を圧縮機群６２、６２、６２…の吸入側の管路１６
により行なうようにしたものである。

【００３８】なお、本発明の冷媒ガス処理方法とその装
置に使用する低元ＣＯ_２冷凍サイクルの冷媒について
は、ＣＯ_２ガスに限らずメタン、プロパン、窒素にも適
用出来ることは図４に示すガスハイドレート生成条件よ
り見ても明らかである。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、上記構成により、従来多元冷
凍システムの低元冷凍サイクルに配設することを余儀な
くされていた大容量（液保有量の約６００倍）膨張タン
クの代わりにその１／２００の容量（液保有量の３倍）
で済むハイドレート生成器を設置することにより、設備
コストの削減に顕著な効果をもたらすとともに、回収し
た冷媒も貯蔵可能で、より大きな省エネ効果を上げるこ
とができる。また、ＣＯ_２ガスの生成条件は５℃、約２
ＭＰａで従来の膨張タンクの設計圧力と比較して半分以
下に抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の冷媒ガス回収装置と二元冷凍システ
ムの低元冷凍サイクルとを結合する管路図である。

【図２】 図１の別の実施例に基づく管路図である。

【図３】 図１、図２の別の実施例を示す図である。

【図４】 ガスハイドレートの生成平衡条件を示すグラ
フである。

【図５】 従来の二元冷凍システムの構成を示す系統図
である。

【図６】 従来の冷凍サイクルの冷媒ガス回収手段を示
す図である。

【図７】 従来の冷凍サイクルの冷媒ガス回収の別の実
施例を示す図である。

【符号の説明】

１０ 冷媒ガス回収装置 １０ａ 水和用水 １０ｂ タンク １２ 冷熱源 １４ 制御部 １５、１６ 管路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多元冷凍システムを形成する低元冷凍サ
   イクルにおいて、該低元冷凍サイクルが前記システムの
   運転停止により惹起される高圧高温冷媒ガスをサイクル
   外に放出させ、放出冷媒ガスを冷熱源によりガスハイド
   レートによる回収を行なうようにしたことを特徴とする
   低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法。
2. 【請求項２】 前記ガスハイドレートによる回収は、低
   元冷凍サイクルの設計圧力以下で回収可能とした貯蔵タ
   ンクと、冷熱源とを備えたガスハイドレート生成機によ
   り行なうようにしたことを特徴とする請求項１記載の低
   元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法。
3. 【請求項３】 前記冷熱源は、多元冷凍機の高元側冷凍
   サイクルの冷熱源を使用する構成としたことを特徴とす
   る請求項１記載の低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方
   法。
4. 【請求項４】 多元冷凍システムを形成する低元冷凍サ
   イクルの放出冷媒ガスを回収する冷媒ガス回収装置にお
   いて、 冷凍サイクルの高圧高温冷媒ガスをサイクル外に放出す
   る放出部と、放出冷媒ガスより該ガスの水和物を形成し
   冷熱によりガスハイドレートを生成するハイドレート生
   成容器と、該生成容器に付設した冷熱源と、放出冷媒ガ
   スの放出量の調整と冷却温度の調整をする調整部と、よ
   り構成したことを特徴とする冷媒ガス回収装置。
5. 【請求項５】 前記冷熱源は前記多元冷凍システムの高
   元側冷凍サイクルの冷熱を使用する構成としたことを特
   徴とする請求項４記載の冷媒ガス回収装置。
6. 【請求項６】 前記生成容器は回収側低元冷凍サイクル
   の冷媒液保有量の少なくとも３倍以上の容積で構成した
   ことを特徴とする請求項４記載の冷媒ガス回収装置。
7. 【請求項７】 前記生成容器は温度調整可能な構成とし
   たことを特徴とする請求項４記載の冷媒ガス回収装置。