JP2004317081A

JP2004317081A - 空気冷凍機

Info

Publication number: JP2004317081A
Application number: JP2003114270A
Authority: JP
Inventors: Seiji Yoshimura; 省二吉村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】熱交換器内の流路での水分の氷結・付着による流路閉塞及びこれによる性能低下の防止を可能とした空気冷凍機を提供する。
【解決手段】主圧縮機１１、冷却器１２、熱交換器１３、膨張機１４、冷凍処理室１５及びサイクロン分離器１６を備え、主圧縮機１１から冷却器１２、熱交換器１３、及び膨張器１４を通過して、冷凍処理室１５に至り、さらにここからサイクロン分離器１６を経て、熱交換器１３を再度通過した後、主圧縮機１１に戻る空気の循環流路Ｉを備えた空気冷凍機１において、主圧縮機１１の吐出圧における露点が０℃以下の乾燥空気を、起動時の一定の間、及び主圧縮機１１の吸込圧の異常低下時に、熱交換器１３から主圧縮機１１に戻る循環流路Ｉの部分に供給することが可能な乾燥空気供給流路ＩＩと、循環流路Ｉの部分の圧力が大気圧を超えると、この部分の空気を大気放出して、大気圧以下に保つ放気流路ＩＩＩとが設けられている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理物を冷凍処理するための空気冷凍機に関するものである。
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低温空気を被処理物に直接触れさせて、この被処理物を冷凍処理する冷凍機は公知である（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３１１１０６５号公報（段落［００１０］、［００１５］、図１）
【特許文献２】
特開２０００−１２１１８５号公報（第４頁、図１）
【０００４】
上記特許文献１には、閉じた流路に冷媒ガス、例えば空気を循環させるようにした冷凍機が開示されている。この冷凍機では、冷凍処理室（冷熱消費設備２０）での被処理物の冷凍処理の際に生じる水分固化成分が回収冷媒ガス中に混在し、そのまま寒冷回収熱交換器内に流入すると、この水分固化成分による上記寒冷回収熱交換器の閉塞が生じ、冷凍機の正常な運転ができなくなる。このため、この水分固化成分を除去する除湿手段としてフィルタが冷凍処理室の二次側に設けられている。そして、上記寒冷回収熱交換器に向かう冷媒空気から上記水分固化成分を上記フィルタにより除去し、上記水分固化成分による上記寒冷回収熱交換器の閉塞が防止されるようになっている。また、このフィルタにより、回収された冷媒空気中の粉塵も捕集され、清浄な冷媒空気が上記寒冷回収熱交換器を経て、圧縮機に導かれるようになっている。
【０００５】
上記特許文献２には、閉じていない流路に冷媒ガスとしての空気を流すようにした冷凍機が開示されている。この冷凍機では、全熱交換器を通して冷却した空気を昇圧した後、冷却して、圧縮機により圧縮し、吐出された空気を空気冷却器、熱回収熱交換器、タービン、除雪器を経由させた後、冷凍処理室（倉庫１）に供給するようにして、冷凍処理室に供給される前に上記除雪器により空気中に浮遊する雪を除去している。その後、冷凍処理室から回収された空気は熱回収熱交換器、全熱交換器を経由する過程で、冷凍処理室に向かう空気を冷却するための冷熱源となり、大気中に放出されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した冷凍機において、空気中の水分が析出して、氷結する現象は冷凍処理室や、タービンの出口側のみで発生するのではなく、特許文献１に記載の冷凍機における上記寒冷回収熱交換器や特許文献２に記載の冷凍機における上記熱回収熱交換器の内部の流路及びその近傍の流路でも、特に稼働初期の段階で氷結が発生することはある。通常、水分は表面張力によりこれらの流路の壁面に付着して下流に向かって流れるが、この水分が氷結すると、上記壁面に氷がこびり付き、流路閉塞により、その断面が狭くなる。このため、熱交換器での圧損が大きくなり、冷凍機の性能低下等を招くという問題がある。
本発明は、斯る従来の問題をなくすことを課題としてなされたもので、熱交換器内の流路での水分の氷結・付着による流路閉塞及びこれによる性能低下の防止を可能とした空気冷凍機を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１発明は、主圧縮機、冷却器、熱交換器、膨張機及び冷凍処理室を備えるとともに、上記主圧縮機から上記冷却器、上記熱交換器、及び上記膨張器を通過して、上記冷凍処理室を経て、上記熱交換器を再度通過した後、上記主圧縮機に戻る空気の循環流路を備えた空気冷凍機において、上記主圧縮機の吐出圧における露点が０℃以下の乾燥空気を、起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に、上記熱交換器から上記主圧縮機に戻る上記循環流路の部分に供給することが可能な乾燥空気供給流路と、上記循環流路の部分の圧力が大気圧を超えると、この部分の空気を大気放出して、この圧力を大気圧以下に保つ放気流路とを設けた構成とした。
【０００８】
第２発明は、第１発明の構成に加えて、上記乾燥空気供給流路を、補助圧縮機と、ここからの圧縮空気を通過させるドライヤと、このドライヤを通過した圧縮空気を減圧する減圧弁と、上記起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に開くように設けられた開閉弁とを介設して形成した構成とした。
【０００９】
第３発明は、第１発明の構成に加えて、上記乾燥空気供給流路を、補助圧縮機と、ここからの圧縮空気を通過させるドライヤと、このドライヤを通過した圧縮空気を減圧して溜めておく空気槽と、上記起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に開くように設けられた開閉弁とを介設して形成した構成とした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
図１は、第１発明に係る空気冷凍機１を示し、この空気冷凍機１は、主圧縮機１１、冷却器１２、熱交換器１３、膨張機１４、冷凍処理室１５及びサイクロン分離器１６を含む循環流路Ｉを備えている。この循環流路Ｉにおいて、冷媒ガスである空気は、主圧縮機１１から冷却器１２を経た後、熱交換器１３に至り、ここを通過した後、膨張機１４、さらに冷凍処理室１５を経て、熱交換器１３を再度通過した後、主圧縮機１１に戻り、循環を繰返す。なお、図示する実施形態では、主圧縮機１１及び膨張機１４は、駆動源としてモータ１７を共有している。
【００１１】
また、循環流路Ｉにおける主圧縮機１１と熱交換器１３との間の部分には、図示しない乾燥空気供給源に接続した乾燥空気供給流路ＩＩが合流しており、この乾燥空気供給流路ＩＩには、圧力スイッチ２１及びこの圧力スイッチ２１からの圧力信号により開閉される開閉弁２２が設けられている。さらに、熱交換器１３と圧力スイッチ２１との間の乾燥空気供給流路ＩＩの部分からは、逆止弁２３が介設された放気流路ＩＩＩが分岐している。この逆止弁２３は、放気流路ＩＩＩの分岐点から大気側に向かう流体の流れのみを許容し、かつ上記分岐点の圧力が一定値以上、例えば大気圧以上になったときにのみ上記流体の流れを許容する安全弁の働きをするものである。
なお、放気流路ＩＩＩの分岐点は、上述した位置に限定されるものでなく、熱交換器１３から主圧縮機１１の吸込み部に至る循環流路Ｉの流路部分に位置していてもよい。
【００１２】
そして、上記構成からなる空気冷凍機１において、空気冷凍機１の起動時、予め設定した一定時間だけ開閉弁２２が開かれる。これにより、起動前に循環流路Ｉ内に入っていた空気が、乾燥空気供給流路ＩＩからの乾燥空気で、即ち定常運転状態にある主圧縮機１１の吐出圧において露点が０℃以下になる乾燥空気で置換される。具体的には、水蒸気の蒸気圧が０．００６２２８ｋｇ／ｃｍ^２、吐出圧を３ａｔａとすると、大気圧における蒸気圧が０．００６２２８／３＝０．００２０７６ｋｇ／ｃｍ^２（大気圧露点−１５℃）である空気で循環流路Ｉ内が置換されることになる。
【００１３】
その後、主圧縮機１１は定常運転状態に移行し、冷媒ガスとしての空気は、例えば、略大気圧、約３０℃で圧縮機１１に吸込まれ、圧縮されて、約２ａｔｇ、約１６０℃で主圧縮機１１から吐出され、冷却器１２、熱交換器１３を経て、約２ａｔｇ、約−３０℃となる。即ち、この空気は熱交換器１３内の高圧側流路を通過して約２ａｔｇ、約−３０℃となる。さらに、この空気は、膨張機１４により膨張させられて略大気圧、約−８０℃の極低温の状態となって、例えば食品のような被処理物が収容された冷凍処理室１５に導かれる。この冷凍処理室１５内は大気圧の状態になっており、ここで、この極低温の空気により被処理物が冷却され、冷凍させられる一方、空気は略大気圧、約−４０℃の状態に変化し、空気混入物分離手段として設けられたサイクロン分離器１６に導かれる。
【００１４】
冷凍処理室１５内で、食品のような被処理物を冷却すると、被処理物から水蒸気が発生したり、冷凍処理室１５での人の出入りの際に外部から水蒸気や粉塵が進入する。なかでも、水蒸気については、冷凍処理室１５内で氷結し、氷の粒子が発生し、上記粉塵とともに冷媒ガスとしての空気に混在することになる。もしも、この氷の粒子や粉塵が熱交換器１３内に流入すれば、熱交換器１３内の流路の閉塞を招来し、空気冷凍機１の正常な運転が阻害されることになる。そこで、この空気冷凍機１では、サイクロン分離器１６により、気体成分である空気とその他の成分である氷の粒子及び粉塵とが分離され、分離後の清浄な空気のみが熱交換器１３へと送り出され、空気から分離された氷の粒子及び粉塵はサイクロン分離器１６の下部から外部に排出される。
【００１５】
サイクロン分離器１６からの空気は、略大気圧、約−４０℃で熱交換器１３に至り、低圧側流路を通過し、上記高圧側流路内の空気と熱交換して、略大気圧、役３０℃となり、主圧縮機１１に戻る。さらに、この空気は再度主圧縮機１１に吸込まれ、圧縮され、循環流路Ｉ内での循環を繰返す。
そして、空気冷凍機１の起動後、主圧縮機１１の定常運転中においては、圧縮機１１の吸込み圧でもある圧力スイッチ２１による検出圧力が低下し、予め設定した圧力、例えば−０．０５ａｔｇになると、圧力スイッチ２１からの信号に基づき開閉弁２２が開かれる一方、上記検出圧力が上昇し、予め設定した圧力、例えば０ａｔｇになると開閉弁２２が閉じられる。また、上述したように放気流路ＩＩＩの分岐点での圧力が、例えば０ａｔｇを超えると、放気流路ＩＩＩから循環流路Ｉ内の空気が大気放出され、主圧縮機１１の吸込み側における循環流路Ｉの流路部分は、概ね大気圧に保たれるようになっている。
【００１６】
ところで、大気温度を３０℃とすると、空気冷凍機１の起動時まで、熱交換器１３はこの温度の雰囲気に晒されており、熱交換器１３のどの部位も一様にほぼ３０℃になっている。そして、空気冷凍機１の起動後、主圧縮機１１の定常運転時には、一例として上述したように、熱交換器１３における高圧側流路の入口部Ａの温度は４０℃、その出口Ｂの温度は−５０℃、熱交換器１３における低圧側流路の入口部Ｃの温度は−６０℃、その出口部Ｄの温度は大気温度、即ち３０℃となる。
【００１７】
このように、空気冷凍機１を起動して、主圧縮機１１が定常運転状態に移行してゆく過程で、熱交換器１３の出口部Ｂの温度は３０℃から−５０℃にまで低下してしまう。上述したように、乾燥空気供給流路ＩＩにより乾燥空気循環流路Ｉ内は大気圧露点が−１５℃の乾燥空気で置換されており、主圧縮機１１の吐出圧の状態にある上記出口部Ｂでの露点は０℃以下になっている故、この出口部Ｂの温度が０℃に達した時点では空気中の水分の析出は起こらない。さらにこの出口部Ｂの温度が低下して、露点に達すると、空気中の水分の析出は発生するが、０℃よりも低い状態下では、析出した水分が液体のまま増大してゆくことはなく、直ちに氷結する。このため、上述した従来の冷凍機の場合のように、析出した水分が表面張力により熱交換器内の壁面にくっ付いて液体の状態のままで下流に向かって流れてゆき、やがて氷結し、流路を閉塞するという現象は発生しない。即ち、析出した水分が直ちに氷結するため、熱交換器１３内を流れる空気に含まれる水分は微小な氷の粒子となって流れてゆき、この氷が流路の壁面に付着することはない。従って、この氷の粒子は空気とともに流れて、流路の閉塞を起こすことなく熱交換器１３外へと出てゆく。
【００１８】
なお、空気冷凍機１の稼働中は、その停止時に比して主圧縮機１１の吐出圧が上昇するため、循環流路Ｉ内の空気量が一定の場合、主圧縮機１１の吸込圧が低下し、主圧縮機１１の軸封部等を介して機外から大気が流入してくる可能性がある。その場合、事前に循環流路Ｉ内を上述した露点が０℃以下の乾燥空気で置換していても、水蒸気を含む大気が流入することにより、上記出口部Ｂでの露点が０℃よりも高くなることもあり、単に乾燥空気で置換するだけであれば、熱交換器１３において氷により流路の閉塞が生じる可能性がある。
【００１９】
このため、空気冷凍機１では、主圧縮機１１の吸込圧が運転中ほぼ大気圧に保ち得る構成が採用されており、上記閉塞のおそれはない。具体的には、例えば、主圧縮機１１の吸込圧でもある圧力スイッチ２１による検出圧力が低下し、−０．０５ａｔｇになると開閉弁２２を開状態にし、上記検出圧力が上昇し、０ａｔｇになると開閉弁２２を閉状態にするようになっている。そして、この圧力スイッチ２１の検出部での圧力がさらに上昇して、大気圧よりも高くなると、主圧縮機１１の吸込み側の空気が放気流路ＩＩＩにより逆止弁２３を介して大気に放出される。
【００２０】
図２は、第２発明に係る空気冷凍機２を示し、上述した空気冷凍機１と互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
空気冷凍機２における乾燥空気供給流路ＩＩには、圧力スイッチ２１に他に、モータ３１により駆動される補助圧縮機３２、この補助圧縮機３２の吸込み側の空気フィルタ３３、補助圧縮機３２の吐出側の乾燥剤充填式のドライヤ３４及び減圧弁３５が介設されている。
なお、ドライヤ３４には、例えば、シリカゲルのような乾燥剤が充填されている。
【００２１】
そして、斯かる構成により、空気冷凍機２の起動時、予め設定した一定時間だけモータ３１の電源がオンになるようになっており、上記同様に、起動前に循環流路Ｉ内に入っていた空気が、乾燥空気供給流路ＩＩからの乾燥空気で、即ち定常運転状態にある主圧縮機１１の吐出圧において露点が０℃以下になる乾燥空気で置換される。さらに、空気冷凍機２の起動後、主圧縮機１１の定常運転中においては、圧力スイッチ２１による検出圧力が低下し、予め設定した圧力、例えば−０．０５ａｔｇになると、圧力スイッチ２１からの信号に基づきモータ３１の電源がオンになる一方、上記検出圧力が上昇し、予め設定した圧力、例えば０ａｔｇになるとモータ３１の電源がオフとなる。
【００２２】
モータ３１の電源がオンになっている間、補助圧縮機３２により、空気フィルタ３３を介して吸込まれた清浄な空気が圧縮され、圧縮空気がドライヤ３４へと送り出される。このドライヤ３４内の乾燥剤を通して空気を乾燥させる場合、ここを通過する空気の圧損を一定にするためには、必要とする乾燥剤の量は通過する空気の体積流量にほぼ比例する。従って、シリカゲルのような乾燥剤を用いた場合、ここを通過する空気が大気圧であれば多量の乾燥剤が必要となる。このため、空気冷凍機２では、補助圧縮機３２により圧縮し、体積を縮小させた空気をドライヤ３４に送り込むようにすることにより乾燥剤の量を少なくするとともに、ドライヤ３４の小型化が図られている。
【００２３】
なお、ここではドライヤ３４として乾燥剤充填式のものを示したが、他の形式のドライヤを採用しても、同様に小型化をなし得る。例えば、冷凍式のドライヤは、冷却器に空気を通過させて、その空気を露点温度以下に冷却して空気中の水分をドレンとして分離する形式のものであるが、この形式のものを採用しても、空気の体積を縮小させたうえで、空気をドライヤ中の冷却器に送り込むようにすることで、冷却器の小型化がなされ、ひいては、ドライヤの小型化を成し遂げることができるのである。
【００２４】
図３は、第３発明に係る空気冷凍機３を示し、上述した空気冷凍機２と互いに共通する部分については、同一番号を付して説明を省略する。
空気冷凍機３では、上述した減圧弁３５に代えて、空気を減圧して溜める空気槽４１と開閉弁４２とが乾燥空気供給流路ＩＩに介設され、圧力スイッチ２１からの圧力信号に基づき開閉弁４２が開閉されるようになっている。さらに詳説すれば、モータ３１の電源は、空気槽４１内の圧力が低下して予め設定した圧力、例えば６ａｔｇになるとオンになる一方、空気槽４１内の圧力が上昇して予め設定した圧力、例えば８ａｔｇになるとオフになる。また、空気冷凍機３の起動時、予め設定した一定時間だけ開閉弁４２が開かれる。これにより、起動前に循環流路Ｉ内に入っていた空気が、乾燥空気供給流路ＩＩにおける空気槽４１からの乾燥空気で、即ち定常運転状態にある主圧縮機１１の吐出圧において露点が０℃以下になる乾燥空気で置換される。さらに、空気冷凍機３の起動後、主圧縮機１１の定常運転中においては、圧力スイッチ２１による検出圧力が低下し、予め設定した圧力、例えば−０．０５ａｔｇになると、圧力スイッチ２１からの信号に基づき開閉弁４２が開かれる一方、上記検出圧力が上昇し、予め設定した圧力、例えば０ａｔｇになると開閉弁４２が閉じられる。
【００２５】
上述した乾燥空気については、常時一定量の供給を続ける必要はなく、起動時に多量の供給が必要とされるものである。この乾燥空気を補助圧縮機３２から直接循環流路Ｉに送り込むようにすると、補助圧縮機３２は、多量の乾燥空気が必要な起動時に対応し得る大きな容量のものになってしまい、起動時を除けば、その能力を部分的にしか利用できなくなる。空気冷凍機３の場合、空気槽４１が設けられており、起動時に必要とされる多量の乾燥空気も空気槽４１から供給されるため、またこの空気槽４１を乾燥空気で満たしておくのに大容量の圧縮機は必要でないことから、補助圧縮機３２を小容量のものにすることができる。
【００２６】
以上、第１〜３発明に係る空気冷凍機１〜３では、冷凍処理室以降に空気混入物分離手段として、サイクロン分離器１６を設けた例を示したが、本発明はこれに限定するものではない。この空気混入物分離手段としてのサイクロン分離器１６を省いたものであってもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、第１発明によれば、主圧縮機の吐出圧における露点が０℃以下の乾燥空気を、起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に、熱交換器から上記主圧縮機に戻る循環流路の部分に供給することが可能な乾燥空気供給流路と、上記循環流路の部分の圧力が大気圧を超えると、この部分の空気を大気放出して、この圧力を大気圧以下に保つ放気流路とを設けた構成としてある。
このため、熱交換器内で空気が冷却され、この空気に含まれている水分が析出する際に、直ちに氷の粒子となって析出し、この氷の粒子が空気とともに流動するようになり、熱交換器内の流路に氷が付着して、流路の閉塞が生じることが防止され、この閉塞による冷凍機性能の低下も防止できるという効果を奏する。
【００２８】
第２発明によれば、第１発明の構成に加えて、上記乾燥空気供給流路を、補助圧縮機と、ここからの圧縮空気を通過させるドライヤと、このドライヤを通過した圧縮空気を減圧する減圧弁と、上記起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に開くように設けられた開閉弁とを介設して形成した構成としてある。
このため、第１発明による効果に加えて、乾燥剤の量を少なくするとともに、ドライヤ３４の小型化が可能になるという効果を奏する。
【００２９】
第３発明によれば、第１発明の構成に加えて、上記乾燥空気供給流路を、補助圧縮機と、ここからの圧縮空気を通過させるドライヤと、このドライヤを通過した圧縮空気を減圧して溜めておく空気槽と、上記起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に開くように設けられた開閉弁とを介設して形成した構成としてある。
このため、第１発明による効果に加えて、補助圧縮機の小型化が可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１発明に係る空気冷凍機の全体構成を示す図である。
【図２】第２発明に係る空気冷凍機の全体構成を示す図である。
【図３】第３発明に係る空気冷凍機の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１、２、３空気冷凍機１１主圧縮機
１２冷却器１３熱交換器
１４膨張機１５冷凍処理室
１６サイクロン分離器１７モータ
２１圧力スイッチ２２開閉弁
２３逆止弁３１モータ
３２補助圧縮機３３空気フィルタ
３４ドライヤ３５減圧弁
４１空気槽４２開閉弁
Ｉ循環流路ＩＩ乾燥空気供給流路
ＩＩＩ放気流路

Claims

主圧縮機、冷却器、熱交換器、膨張機及び冷凍処理室を備えるとともに、上記主圧縮機から上記冷却器、上記熱交換器、及び上記膨張器を通過して、上記冷凍処理室を経て、上記熱交換器を再度通過した後、上記主圧縮機に戻る空気の循環流路を備えた空気冷凍機において、上記主圧縮機の吐出圧における露点が０℃以下の乾燥空気を、起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に、上記熱交換器から上記主圧縮機に戻る上記循環流路の部分に供給することが可能な乾燥空気供給流路と、上記循環流路の部分の圧力が大気圧を超えると、この部分の空気を大気放出して、この圧力を大気圧以下に保つ放気流路とを設けたことを特徴とする空気冷凍機。
上記乾燥空気供給流路を、補助圧縮機と、ここからの圧縮空気を通過させるドライヤと、このドライヤを通過した圧縮空気を減圧する減圧弁と、上記起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に開くように設けられた開閉弁とを介設して形成したことを特徴とする請求項１に記載の空気冷凍機。
上記乾燥空気供給流路を、補助圧縮機と、ここからの圧縮空気を通過させるドライヤと、このドライヤを通過した圧縮空気を減圧して溜めておく空気槽と、上記起動時の一定の間、及び上記主圧縮機の吸込圧の異常低下時に開くように設けられた開閉弁とを介設して形成したことを特徴とする請求項１に記載の空気冷凍機。