JP2006118773A - 空気冷媒式冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置において，被冷却部を経た戻り空気が有する低温冷熱を回収するさいに，装置をコンパクトにしながら熱交換効率を高める。
【解決手段】空気圧縮機，空気冷却器および空気膨張機を経た空気を被冷却部に供給し，被冷却部からの戻り空気を前記の空気圧縮機に循環する空気冷媒式冷凍装置において，前記の空気冷却器と空気膨張機の間の空気経路に空気対液体熱交換器を配置すると共に，被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路にも空気対液体熱交換器を配置し，両熱交換器の間を熱媒液体が循環する熱媒循環路を形成したことを特徴とする空気冷媒式冷凍装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は，空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置に関する。

フロンやアンモニア等に変えて空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１等の空気冷媒式冷凍装置では，被冷却部に供給した低温空気を循環使用する構成とし，そのさい，被冷却部からの戻り空気のもつ冷熱を膨張機に入る前の空気に付与すべく空気対空気熱交換器を熱回収用に使用していた。この熱回収熱交換器では，圧力損失を最小にするために例えば特許文献２に記載されているようにプレート型熱交換器が使用されていた。
特許第２７１５０５４号公報 国際公開ＷＯ９６／１１３６７号公報

前記の空気冷媒式冷凍装置において，熱回収用熱交換器としてプレート型の空気対空気熱交換器を使用する場合には，コストが高いことに加えて，器内での空気の偏流が不可避であり，このために設計通りの性能が出にくいという問題と，空気の出入口の位置が固定されてしまうので，システム内のパーツとの接続の位置や方向に制約を受け，システム全体のレイアウト設計が難しくなるという問題が付随した。また，戻り空気の流量や温度の変動に追従した熱交換効率のよい制御を実現できないといった問題もあった。

この課題を解決するために，本発明によれば，空気圧縮機，空気冷却器および空気膨張機を経た空気を被冷却部に供給し，被冷却部からの戻り空気を前記の空気圧縮機に循環する空気冷媒式冷凍装置において，前記の空気冷却器と空気膨張機の間の空気経路に空気対液体熱交換器を配置すると共に，被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路にも空気対液体熱交換器を配置し，両熱交換器の間を熱媒液体が循環する熱媒循環路を形成したことを特徴とする空気冷媒式冷凍装置を提供する。

前記のように，特許文献１や２には，空気圧縮機，空気冷却器および空気膨張機を経た空気を被冷却部に供給し，被冷却部からの戻り空気を前記の空気圧縮機に循環する空気冷媒式冷凍装置が記載されており，そのさい，被冷却部からの戻り空気のもつ冷熱を膨張機に入る前の空気に付与する空気対空気熱交換器を使用する点も公知である。本発明は，この従来の装置で使用されていた空気対空気熱交換器に代えて，熱媒循環型の熱交換方式を採用した点に特徴がある。

この熱媒循環型の熱交換方式を採用した本発明の空気冷媒式冷凍装置の構成例を図１に示した。図１の装置では，空気の流れの順に，第１空気圧縮機１，第１空気冷却器２，第２空気圧縮機３，第２空気冷却器４，空気対液体熱交換器５（第３空気冷却器），空気膨張機６，捕集器７（除雪・除霜器）が配置され，これらを経た空気が被冷却部８（例えば冷凍倉庫等）に送気される。被冷却部８からの戻り空気は，空気対液体熱交換器９（加熱器）を経て第１空気圧縮機１に循環される。

図示の装置において，空気圧縮機は第１と第２の空気圧縮機１と３に分割され，両者の間に第１空気冷却器２が介装されている。第２の空気圧縮機３と膨張機６は動力源を共通にして一体的に組み合わされた共軸の空気圧縮膨張装置である。図中に記した圧力と温度の値は，被冷却部８に送気されるときに圧力０．１Ｍｐａで温度−５５℃の低温空気を製造し，被冷却部８から戻る空気が圧力０．１Ｍｐａで温度−３０℃の空気である場合の各機器間の圧力と温度を例示したものである。第１冷却器２と第２冷却器３はいずれも空気対水熱交換器が用いられており，これらには外部から冷却水が通水されることにより，圧縮機を出た空気が所要の温度にまで冷却される。

本発明においては，第２冷却器４を出て膨張機６に入る前の空気経路に空気対液体熱交換器５（これは第３冷却器としての機能を果たす）を配置する。他方，被冷却部８を出た戻り空気が第１圧縮機１に入る前の空気経路にも空気対液体熱交換器９（これは加熱器としての機能を果たす）を配置する。これらの空気対液体熱交換器５と９はいずれもフインチューブ型熱交換器を使用し，両者のチューブ側同士をホンプ１０を介装した循環路に形成し，この循環路に熱媒としてブラインを循環させる。ポンプ１０はインバーターによる回転数制御ができるものを使用するか，または開度制御ができる制御弁を該循環路に介装させることにより，熱媒の循環量を制御できる構成とする。

別の態様として，空気対液体熱交換器５と９としてシエルアンドチューブ型熱交換器を使用することもできる。この場合にも，チューブ側を互いに連結して熱媒循環路を形成し，ポンプ１０によって熱媒（ブライン）を強制循環させ，その循環量をインバーターによるポンプ回転数制御または制御弁による開度制御によって行う。

いずれにしても，この構成により，圧縮機を出て膨張機に入る前の高圧高温側の空気と，被冷却部から圧縮機に入る前の低圧低温側の空気とが熱媒を介して熱交換されることになり，この熱媒循環量の制御によって最適な熱交換を行わせることができる。すなわち，この熱媒循環量の制御によって，被冷却部において外部との熱の授受に変動があったり，運転条件が変化した場合でも，系内の空気の温度，圧力，流量が変動するのをできるだけ回避することができる。

この熱媒循環量制御の例を図２〜４に示した。図２はポンプ１０の回転数をインバータ制御によって行う例を示している。この場合，熱交換器５の空気出入口付近に温度センサーＴ１，Ｔ２を設置すると共に，熱交換器９の空気出入口付近にも温度センサーＴ３，Ｔ４を設置し，これらの検出値を制御盤１１に送信する。制御盤１１は，これらの温度センサーで検出される値が設定値の範囲内となるようにインバーター１２に指令を発してフイードバック制御を行う。温度センサーＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４に代えて，空気の圧力を検出する圧力センサーＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を設置して同様の制御を行うこともできる。また，図示しないが，熱交換器５と９の各空気路に流量計を設置して，これらの空気路の空気流量を検出して，この値を制御盤１１に入力して熱媒循環量の制御に利用することもできる。また，熱媒循環路に流量計１３を設置し，この流量検出値が所定の値となるような制御を行うこともできる。

図３は，インバータ制御に代えて，熱媒循環路に介装した制御弁１４の開度制御によって熱媒循環量を制御する例を示している。制御弁１４は制御盤１１からの指令によりその開度が自動調整されるが，制御盤１１に送信される温度センサー，圧力センサーまたは風量センサー等の検出信号などは図２の場合と同様の態様で検出することができる。

図４は，インバータ制御方式に代えて，バイパス路１５を設けたうえ，このバイパス路１５に流れる熱媒量を制御弁１６と１７の開度制御によって制御するようにした例を示している。各制御弁１６と１７は制御盤１１からの指令によりその開度が自動調整される。制御盤１１に送信される温度センサー，圧力センサーまたは風量センサー等の検出信号などは図２の場合と同様の態様で検出することができる。

いずれにしても，各センサーでの入力値から，熱交換量，熱交換効率を算出し，熱交換効率が最大になるように，熱媒の流量制御を行うことができる。例えば，温度センサーを用いる制御では，各センサーで検出される値から（Ｔ４−Ｔ３）／（Ｔ１−Ｔ２）の値を計算し（この値は熱交換効率に対応する），この値が最も高くなるように熱媒の循環量の制御を行う。圧力センサーを用いる場合も同様である。

このようにして本発明によると，空気を冷媒として冷凍サイクルを形成する空気冷媒式冷凍装置において，被冷却部からの戻り空気（低温低圧空気）と膨張機に入る前の（高温高圧空気）とを熱交換するさいに，空気対液体熱交換器を両空気路に設置し，両者の間を液熱媒が循環するように構成し，その熱媒循環量を制御できるようにしたので，系内の温度・圧力・流量などの変動があっても，熱交換効率が最大となるように熱交換できることに加えて，特許文献１や２の場合に比べると次のような有利な効果を奏する。

(1) 熱交換器を２つに分けたことにより，システムのレイアウトに自由度ができ，装置構成がコンパクトになる。
(2) 空気対空気熱交換器に比べると，各空気対液体熱交換器５と９の内部に液熱媒が通液するさいにその流量分布や温度分布の偏りが小さくなるので，空気側での温度分布も小さくなって熱交換効率を高くすることができる。
(3) 空気対空気熱交換器では，高圧側の器内では露点が上がるので空気中の湿分が凝縮し易く（特に空気の温度分布の偏りが大きいと平均温度より低くなった空気中では湿分が凝縮し易く），これが氷となって系を閉塞させたり，熱交換効率を落としたりするが，液熱媒を循環させる場合には(2) のように温度分布の偏りが小さいので，結氷が起こりにくくなる。

本発明に従う空気冷媒式冷凍装置の例を示す機器配置系統図である。 本発明装置で用いる２個の空気対液体熱交換器における熱媒循環量の制御例を示す図である。 本発明装置で用いる２個の空気対液体熱交換器における熱媒循環量の他の制御例を示す図である。 本発明装置で用いる２個の空気対液体熱交換器における熱媒循環量の更に他の制御例を示す図である。

符号の説明

１ 第１の空気圧縮機
２ 第１冷却器
３ 第２の空気圧縮機
４ 第２冷却器
５ 空気対液体熱交換器（第３冷却器）
６ 膨張機
７ 捕集器
８ 被冷却部
９ 空気対液体熱交換器（加熱器）
10 ポンプ
11 制御盤
12 インバーター制御器
13 流量計
14 制御弁
15 バイパス路
16 制御弁
17 制御弁

Claims (2)

1. 空気圧縮機，空気冷却器および空気膨張機を経た空気を被冷却部に供給し，被冷却部からの戻り空気を前記の空気圧縮機に循環する空気冷媒式冷凍装置において，前記の空気冷却器と空気膨張機の間の空気経路に空気対液体熱交換器を配置すると共に，被冷却部と空気圧縮機の間の空気経路にも空気対液体熱交換器を配置し，両熱交換器の間を熱媒液体が循環する熱媒循環路を形成したことを特徴とする空気冷媒式冷凍装置。
2. 熱媒循環路に回転数制御可能なポンプを配置するか，または熱媒循環路に開度制御可能な制御弁を介装し，両熱交換器を通過する空気温度または圧力に応じてポンプの回転数または制御弁の開度を制御する請求項１に記載の空気冷媒式冷凍装置。

Images