JP2011094941A - 冷凍装置及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】氷蓄熱システムを利用して設備の削減や省エネルギー化を図ることのできる冷凍装置及びその運転方法を提供する。
【解決手段】第１の冷却対象を冷却する冷凍サイクルを備えた第１の冷凍機１０と、第２の冷却対象を冷却する冷凍サイクルを備えた第２の冷凍機２０と、前記第１の冷凍機及び前記第２の冷凍機の液冷媒を過冷却するための過冷却用冷凍機３０とを備えた冷凍装置において、冷却負荷が小さな時間帯は過冷却用冷凍機３０で蓄熱槽４２の製氷を行い、冷却負荷が大きな時間帯は、過冷却用冷凍機の膨張後の低温冷媒で第１の冷凍機１０の液冷媒を熱交換器４１で過冷却するとともに、蓄熱槽４２の氷で第２の冷凍機２０の液冷媒を過冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置及びその運転方法に関し、詳しくは、氷蓄熱システムを利用して２系統以上の冷凍機を有する冷却設備における冷却効率の改善を図った冷凍装置及びその運転方法に関する。

従来から、氷蓄熱システムや過冷却システムを利用して、冷凍・冷蔵ショーケースなどを冷却する冷凍機の冷凍能力を向上させることにより、冷却設備の全体的な省エネルギー化を図ることが行われている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

特開平１０−１２２６０８号公報 特開２００８−８２６７４号公報

しかし、一般的な氷蓄熱システムでは、数多くの冷凍・冷蔵ショーケースを備えた大型店舗の全体をまかなうシステムを構築するためには、機器費や工事費などのイニシャルコストが大きくなり、大型店舗への対応に問題があった。また、大型店舗では、主に不凍液を用いた間接冷却方式を採用しているが、この場合は、不凍液を循環させるための循環ポンプが必須となるため、設備費が増大したり、使用電力量が増大したり、間接冷却による熱交換ロスが発生したりするという問題があった。

また、過冷却システムでは、法定冷凍トンの合算値が２０トン未満になるようにしないと高圧ガス保安法に基づく手続きが必要になるため、過冷却を行える冷凍機の馬力数が制限され、省エネ効果が十分に得られないことがあった。

そこで本発明は、氷蓄熱システムを利用して設備の削減や省エネルギー化を図ることのできる冷凍装置及びその運転方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の冷凍装置は、第１の冷却対象を冷却する冷凍サイクルを備えた第１の冷凍機と、第２の冷却対象を冷却する冷凍サイクルを備えた第２の冷凍機と、前記第１の冷凍機及び前記第２の冷凍機の液冷媒を過冷却するための過冷却用冷凍機とを備えた冷凍装置において、前記過冷却用冷凍機は、冷媒経路として、膨張弁で膨張させた低温冷媒により前記第１の冷凍機の液冷媒を冷却するための熱交換器を有する熱交換経路と、膨張弁で膨張させた低温冷媒により蓄熱槽で製氷を行う製氷用熱交換器を有する製氷経路とを備えるとともに、冷媒経路を前記熱交換経路と前記製氷経路とに切り替える冷媒経路切替手段を備え、前記第１の冷凍機は、前記熱交換器を通る第１の液冷媒経路を備え、前記第２の冷凍機は、前記蓄熱槽を通る液冷媒過冷却経路と、前記蓄熱槽を迂回する蓄熱槽バイパス経路と、両経路を切り替える液冷媒経路切替手段とを有する第２の液冷媒経路を備えていることを特徴としている。

さらに、本発明の冷凍装置においては、前記過冷却用冷凍機は、前記第１の冷凍機及び第２の冷凍機より小型で、該過冷却用冷凍機における冷凍サイクルの蒸発温度が、前記第１の冷凍機及び第２の冷凍機における各冷凍サイクルの蒸発温度より高いことが好ましく
、前記過冷却用冷凍機における圧縮機はインバータ制御圧縮機であることが好ましい。

また、本発明の冷凍装置の運転方法は、前記冷凍装置の運転方法であって、冷却負荷が小さな時間帯は、前記過冷却用冷凍機の冷媒経路を前記冷媒経路切替手段で前記製氷経路に切り替えて前記蓄熱槽にて製氷を行うとともに、前記第１の冷凍機は、前記熱交換器で液冷媒を過冷却することなく前記第１の冷却対象を冷却し、前記第２の冷凍機は、前記液冷媒経路切替手段で第２の液冷媒経路を蓄熱槽バイパス経路に切り替えて液冷媒を過冷却することなく前記第２の冷却対象を冷却し、冷却負荷が大きな時間帯は、前記過冷却用冷凍機の冷媒経路を前記冷媒経路切替手段で前記熱交換経路に切り替えて該過冷却用冷凍機の低温冷媒により前記第１の冷凍機の液冷媒を前記熱交換器で過冷却し、前記第１の冷凍機は、前記熱交換器で過冷却された液冷媒を膨張させて前記第１の冷却対象を冷却し、前記第２の冷凍機は、前記液冷媒経路切替手段で第２の液冷媒経路を液冷媒過冷却経路に切り替えて前記蓄熱槽内の氷により過冷却された液冷媒を膨張させて前記第２の冷却対象を冷却することを特徴としている。

また、本発明の冷凍装置の運転方法においては、前記過冷却用冷凍機は、冷却負荷が小さな時間帯の製氷量を、冷却負荷が大きな時間帯における前記第２の冷凍機の冷却負荷の増減に応じて増減することが好ましい。

本発明によれば、氷蓄熱システムを利用した冷凍装置において、冷凍、冷蔵ショーケースなどの冷却対象の冷却負荷が大きくなる時間帯は、過冷却用冷凍機の冷凍サイクルで膨張した低温冷媒によって第１の冷凍機の液冷媒を過冷却するとともに、冷却負荷が小さな時間帯に製氷した氷によって第２の冷凍機の液冷媒を過冷却するようにしているので、第１の冷凍機及び第２の冷凍機における冷却効率を向上させることができ、第１の冷凍機及び第２の冷凍機の馬力数を減らして省エネルギー化を図ることができる。

また、冷却対象の冷却負荷が小さくなり、第１の冷凍機及び第２の冷凍機の液冷媒を過冷却しなくても冷却対象を十分に冷却することが可能となる時間帯は、過冷却用冷凍機の低温冷媒で第１の冷凍機の液冷媒を過冷却することなく、蓄熱槽での製氷に使用することにより、冷却負荷が大きくなる時間帯で第２の冷凍機の液冷媒を過冷却するために必要な量の氷を効率よく得ることができる。

さらに、不凍液を循環させるための循環ポンプなどの追加設備が不要なことから、設備費の増大や使用電力量の増大を招くことがなく、第１の冷凍機及び第２の冷凍機の馬力数を減らし、冷媒充填量も少なくすることができるので、設備費の削減や使用電力量の削減を図ることができる。

また、前記過冷却用冷凍機には前記第１の冷凍機及び第２の冷凍機より小型で蒸発温度が高い小型中温冷凍機を用いることで設備費を更に低減することができ、インバータ制御圧縮機を採用することによって運転効率を向上させることができ、更に省エネルギー化を図ることができる。加えて、冷却負荷が大きくなる時間帯における第２の冷凍機の冷却負荷の増減に応じて過冷却用冷凍機での製氷量を増減することにより、過冷却用冷凍機の使用電力量も低減することができる。

冷却負荷が大きな時間帯における運転状態の一例を示す本発明の冷凍装置の系統図である。 冷却負荷が小さな時間帯における運転状態の一例を示す本発明の冷凍装置の系統図である。

本形態例に示す冷凍装置は、スーパーマーケットなどの店舗内に配置された複数のショーケース１１，２１を冷却するために用いられるものであって、冷却温度が低温の冷凍ショーケース１１を冷却するための第１の冷凍機１０と、冷却温度が中温の冷蔵ショーケース２１を冷却するための第２の冷凍機２０と、これらの冷凍機１０，２０の液冷媒を過冷却するために用いられる過冷却用冷凍機３０とを備えている。

各冷凍機１０，２０，３０は、基本的に、冷媒を圧縮、凝縮、膨張、蒸発させる冷凍サイクルを有するものであって、各冷凍機１０，２０，３０の各コンデンシングユニット１２，２２，３１には冷媒を圧縮して凝縮するための圧縮機と凝縮器とが設けられており、ショーケース１１，２１には冷媒を膨張させて蒸発させるための膨張弁と蒸発器とが設けられている。

第１の冷凍機１０は、コンデンシングユニット１２からの液冷媒を熱交換器４１に導入し、該熱交換器４１から導出した液冷媒をショーケース１１に導入する第１の液冷媒経路１３を有しており、第１の冷凍機１０に充填された冷媒は、コンデンシングユニット１２から熱交換器４１を経てショーケース１１に至り、ショーケース１１からコンデンシングユニット１２に循環する。

第２の冷凍機２０は、第２の液冷媒経路として、コンデンシングユニット２２からの液冷媒を蓄熱槽４２に導入し、該蓄熱槽４２から導出した液冷媒をショーケース２１に導入する液冷媒過冷却経路２３と、蓄熱槽４２を迂回する蓄熱槽バイパス経路２４とを備えるとともに、液冷媒の経路を液冷媒過冷却経路２３と蓄熱槽バイパス経路２４とに切り換えるための液冷媒経路切替手段として一対の切替開閉弁２３ａ，２４ａを備えている。

過冷却用冷凍機３０は、過冷却用の冷媒経路として、コンデンシングユニット３１からの液冷媒を第１膨張弁３２で膨張させた後に前記熱交換器４１に導入し、該熱交換器４１から導出した冷媒をコンデンシングユニット３１に循環させる熱交換経路３３と、コンデンシングユニット３１からの液冷媒を第２膨張弁３４で膨張させた後に前記蓄熱槽４２に導入し、該蓄熱槽４２から導出した冷媒をコンデンシングユニット３１に循環させる製氷経路３５とを備えており、冷媒の経路を熱交換経路３３と製氷経路３５とに切り替えるための冷媒経路切替手段として一対の切替開閉弁３３ａ，３５ａを備えている。

このような構成を有する冷凍装置において、店舗の営業時間帯のような各ショーケース１１，２１の冷却負荷が大きな時間帯では、図１の実線に示すように、第２の冷凍機２０では、切替開閉弁２３ａが開状態、切替開閉弁２４ａが閉状態に設定されるとともに、過冷却用冷凍機３０では、切替開閉弁３３ａが開状態、切替開閉弁３５ａが閉状態に設定される。

この状態において、過冷却用冷凍機３０では、コンデンシングユニット３１の圧縮機で圧縮されて凝縮器で凝縮した高圧の液冷媒が切替開閉弁３３ａを経て熱交換経路３３に流入し、該熱交換経路３３に設けられた第１膨張弁３２で膨張して低温冷媒となり、熱交換器４１の低温冷媒流路４１ａを通り、コンデンシングユニット３１の吸引側に循環する。

第１の冷凍機１０では、前記同様にコンデンシングユニット１２で圧縮されて凝縮した高圧の液冷媒が熱交換器４１の過冷却流路４１ｂに流入し、前記低温冷媒流路４１ａを流れる過冷却用冷凍機３０の低温冷媒と熱交換を行い、第１の冷凍機１０の液冷媒が過冷却される。これにより、ショーケース１１には熱交換器４１の過冷却流路４１ｂで過冷却された液冷媒が導入され、該ショーケース１１に設けられている膨張弁で膨張し、蒸発器で
蒸発することにより低温のガス冷媒となり、庫内を冷却してからコンデンシングユニット１２に循環する。

また、第２の冷凍機２０では、コンデンシングユニット２２からの液冷媒が切替開閉弁２３ａを経て液冷媒過冷却経路２３を通って蓄熱槽４２内の過冷却流路４２ａに流入し、蓄熱槽４２内に貯留されている氷と熱交換を行い、第２の冷凍機２０の液冷媒が過冷却される。これにより、ショーケース２１には蓄熱槽４２の過冷却流路４２ａで過冷却された液冷媒が導入され、該ショーケース２１に設けられている膨張弁で膨張し、蒸発器で蒸発することにより低温のガス冷媒となり、庫内を冷却してからコンデンシングユニット２２に循環する。

したがって、冷却負荷が大きな時間帯は、第１の冷凍機１０の液冷媒が熱交換器４１で過冷却用冷凍機３０の低温冷媒によって過冷却された状態で、第２の冷凍機２０の液冷媒が蓄熱槽４２に貯留された氷によって過冷却された状態で、各ショーケース１１，２１にそれぞれ供給される状態になる。これにより、第１の冷凍機１０におけるショーケース１１の冷却効率や、第２の冷凍機２０におけるショーケース２１の冷却効率を向上させることができるので、各冷凍機１０，２０に使用するコンデンシングユニット１２，２２を小馬力化することができる。

一方、閉店時の夜間など、各ショーケース１１，２１の棚照明を消灯したり、ナイトカバーを閉じたりして各ショーケース１１，２１の冷却負荷が小さくなった時間帯には、図２の実線に示すように、第２の冷凍機２０では、切替開閉弁２３ａが閉状態、切替開閉弁２４ａが開状態に設定されるとともに、過冷却用冷凍機３０では、切替開閉弁３３ａが閉状態、切替開閉弁３５ａが開状態に設定される。

この状態において、過冷却用冷凍機３０では、コンデンシングユニット３１からの液冷媒が切替開閉弁３５ａを経て製氷経路３５に流入し、該製氷経路３５に設けられた第２膨張弁３４で膨張して低温冷媒となり、前記蓄熱槽４２内の製氷流路４２ｂに導入される。製氷流露４２ｂに導入された低温冷媒は、蓄熱槽４２内の水と熱交換を行うことにより水を冷却して蓄熱槽４２内で製氷を行った後、コンデンシングユニット３１に循環する。

このとき、第１の冷凍機１０のコンデンシングユニット１２からの液冷媒は、熱交換器４１の過冷却流路４１ｂを流れるが、熱交換相手となる熱交換器４１の低温冷媒流路４１ａには過冷却用冷凍機３０の低温冷媒が流れていないため、過冷却されることなくショーケース１１に導入され、ショーケース１１の膨張弁で膨張して蒸発器で蒸発し、低温のガス冷媒となってショーケース１１の庫内を冷却する。

また、第２の冷凍機２０のコンデンシングユニット２２からの液冷媒は、切替開閉弁２４ａを経て蓄熱槽バイパス経路２４を通ることから、蓄熱槽４２で過冷却されずにショーケース２１に導入され、ショーケース２１内で膨張、蒸発してショーケース２１の庫内を冷却する。

したがって、冷却負荷が小さな時間帯は、第１の冷凍機１０の液冷媒及び第２の冷凍機２０の液冷媒が共に過冷却されることなく各ショーケース１１，２１にそれぞれ供給される状態になるとともに、過冷却用冷凍機３０では膨張した低温冷媒によって蓄熱槽４２の製氷を行う状態になる。

各ショーケース１１，２１には、過冷却されない液冷媒が供給され、過冷却された液冷媒が供給されるときに比べて冷却効率は低下するが、各ショーケース１１，２１の冷却負荷が小さいため、過冷却されない液冷媒で庫内を十分に冷却することが可能である。

このように、冷却負荷が大きい昼間の時間帯には、過冷却用冷凍機３０の冷凍サイクルを流れる膨張した低温冷媒によって低温のショーケース１１を冷却するための第１の冷凍機１０の液冷媒を熱交換機４１で直接冷却することにより、第１の冷凍機１０の液冷媒を効果的に冷却することができ、第１の冷凍機１０の冷却効率を大幅に向上させることができる。同時に、中温のショーケース２１を冷却するための第２の冷凍機２０の液冷媒を、冷却負荷が小さい時間帯に過冷却用冷凍機３０で製氷した氷によって過冷却することにより、第２の冷凍機２０の冷却効率を大幅に向上させることができる。

また、冷却負荷が小さい夜間の時間帯には、過冷却用冷凍機３０の冷凍サイクルを流れる膨張した低温冷媒によって蓄熱槽４２で製氷を行うことにより、冷却負荷が大きい時間帯に第２の冷凍機２０の液冷媒を過冷却するための氷を夜間電力を利用して効率よく製氷することができる。

これらのことから、第１の冷凍機１０及び第２の冷凍機２０の小馬力化や冷媒充填量の削減とを図ることができ、夜間電力を利用した製氷とによって消費電力の平準化を図ることができるとともに、冷却負荷が大きい時間帯におけるピーク時の使用電力量を下げることができるので、電力の基本料金を下げることができ、全体としての電気料金の削減を図ることができ、冷凍装置全体の省エネルギー化を図ることができる。

また、過冷却用冷凍機３０は、冷却負荷が大きい時間帯には第１の冷凍機１０の液冷媒を過冷却でき、冷却負荷が小さい時間帯には蓄熱槽４２で製氷を行えればよいことから、過冷却用冷凍機３０として、その蒸発温度が第１の冷凍機１０及び第２の冷凍機２０の蒸発温度より高い小型の中温冷凍機を用いることにより、設備費の削減や省エネルギー化を図ることができる。

さらに、季節的な温度変化などに伴って変動する冷却負荷の増減に応じて、過冷却用冷凍機３０で製氷する蓄熱槽４２の氷の量を増減することにより、例えば、夏季に比べて冷却負荷が小さくなる冬季の製氷量を夏季より少なくすることにより、過冷却用冷凍機３０の製氷運転を軽減することができ、これによっても省エネルギー化を図ることができる。また、過冷却用冷凍機３０として、インバータ制御圧縮機を採用し、圧縮機の発停回数を少なくすることにより、更なる省エネルギー化を図ることができる。

なお、１台の過冷却用冷凍機に対する第１の冷凍機及び第２の冷凍機の台数は任意であり、また第１の冷凍機及び第２の冷凍機で冷却する冷却対象は任意であり、冷却対象の数も任意である。

１０ 第１の冷凍機
１１ ショーケース
１２ コンデンシングユニット
１３ 第１の液冷媒経路
２０ 第２の冷凍機
２１ ショーケース
２２ コンデンシングユニット
２３ 液冷媒過冷却経路
２４ 蓄熱槽バイパス経路
２３ａ，２４ａ 切替開閉弁
３０ 過冷却用冷凍機
３１ コンデンシングユニット
３２ 第１膨張弁
３３ 熱交換経路
３４ 第２膨張弁
３５ 製氷経路
３３ａ，３５ａ 切替開閉弁
４１ 熱交換器
４１ａ 低温冷媒流路
４１ｂ 過冷却流路
４２ 蓄熱槽
４２ａ 過冷却流路
４２ｂ 製氷流路

Claims (5)

1. 第１の冷却対象を冷却する冷凍サイクルを備えた第１の冷凍機と、第２の冷却対象を冷却する冷凍サイクルを備えた第２の冷凍機と、前記第１の冷凍機及び前記第２の冷凍機の液冷媒を過冷却するための過冷却用冷凍機とを備えた冷凍装置において、
   前記過冷却用冷凍機は、冷媒経路として、膨張弁で膨張させた低温冷媒により前記第１の冷凍機の液冷媒を冷却するための熱交換器を有する熱交換経路と、膨張弁で膨張させた低温冷媒により蓄熱槽で製氷を行う製氷用熱交換器を有する製氷経路とを備えるとともに、冷媒経路を前記熱交換経路と前記製氷経路とに切り替える冷媒経路切替手段を備え、
   前記第１の冷凍機は、前記熱交換器を通る第１の液冷媒経路を備え、
   前記第２の冷凍機は、前記蓄熱槽を通る液冷媒過冷却経路と、前記蓄熱槽を迂回する蓄熱槽バイパス経路と、両経路を切り替える液冷媒経路切替手段とを有する第２の液冷媒経路を備えていることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記過冷却用冷凍機は、前記第１の冷凍機及び第２の冷凍機より小型で、該過冷却用冷凍機における冷凍サイクルの蒸発温度が、前記第１の冷凍機及び第２の冷凍機における各冷凍サイクルの蒸発温度より高いことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 前記過冷却用冷凍機における圧縮機は、インバータ制御圧縮機であ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１乃至３のいずれか１項記載の冷凍装置の運転方法であって、
   冷却負荷が小さな時間帯は、前記過冷却用冷凍機の冷媒経路を前記冷媒経路切替手段で前記製氷経路に切り替えて前記蓄熱槽にて製氷を行うとともに、前記第１の冷凍機は、前記熱交換器で液冷媒を過冷却することなく前記第１の冷却対象を冷却し、前記第２の冷凍機は、前記液冷媒経路切替手段で第２の液冷媒経路を蓄熱槽バイパス経路に切り替えて液冷媒を過冷却することなく前記第２の冷却対象を冷却し、
   冷却負荷が大きな時間帯は、前記過冷却用冷凍機の冷媒経路を前記冷媒経路切替手段で前記熱交換経路に切り替えて該過冷却用冷凍機の低温冷媒により前記第１の冷凍機の液冷媒を前記熱交換器で過冷却し、前記第１の冷凍機は、前記熱交換器で過冷却された液冷媒を膨張させて前記第１の冷却対象を冷却し、前記第２の冷凍機は、前記液冷媒経路切替手段で第２の液冷媒経路を液冷媒過冷却経路に切り替えて前記蓄熱槽内の氷により過冷却された液冷媒を膨張させて前記第２の冷却対象を冷却することを特徴とする冷凍装置の運転方法。
5. 前記過冷却用冷凍機は、冷却負荷が小さな時間帯の製氷量を、冷却負荷が大きな時間帯における前記第２の冷凍機の冷却負荷の増減に応じて増減することを特徴とする請求項４記載の冷凍装置の運転方法。

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