JP2013238325A - 冷却設備 - Google Patents

Abstract

【課題】地球環境に無害で、冷却温度が異なる複数の冷却室を冷却するに際し、高い利用率と低コスト化が可能な冷却設備を実現する。
【解決手段】閉鎖型空気循環式冷凍装置１２と、複数のＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄとを併用してＣＯ２ブラインを冷却する。複数の冷却庫１〜４に夫々設けられた空気冷却器１６ａ〜ｄ毎に、ＣＯ２ブラインを冷却するＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄ及びブライン冷却器２８ａ〜ｄと、ＣＯ２ブラインを空気冷却器１６ａ〜ｄに送るブライン供給装置１８ａ〜ｄとが独立して設けられている。閉鎖型空気循環式冷凍装置１２は駆動モーター３２の単軸の出力軸３２ａに連結された圧縮機３０及び膨張機３４を備え、出力軸３２ａを磁気軸受３６で支持している。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却庫や冷凍・冷蔵保管庫等を冷却するための空調装置を備え、地球環境に無害な自然冷媒を用いた冷却設備に関する。

空気又は窒素ガスを冷媒ガスとして用いたガス循環式冷凍装置が知られている。ガス循環式冷凍装置は、冷媒ガスを圧縮機で断熱圧縮して高温高圧とし、中間冷却器で冷却した後、膨張機で断熱膨張させて低温低圧とする。この低温低圧の冷媒ガスを冷凍庫等に供給し、この冷媒ガスの顕熱で冷凍庫内を冷却する。代替フロンやＮＨ３等の冷媒を高圧に圧縮する蒸気圧縮式冷凍装置と比べて、ガス循環式冷凍装置は、冷媒ガスを高圧にする必要がなく、安全で環境を害しない利点があると共に、−５０℃以下の超低温冷媒を作ることができる。

ガス循環式冷凍装置は、膨張機出口の低温冷媒ガスが冷凍庫等に開放される開放型と、冷媒ガス循環系が大気に対して閉鎖され、膨張機出口の低温冷媒ガスとブラインとをブライン冷却器で熱交換させる閉鎖型とがある。開放型は例えば特許文献１に開示され、閉鎖型は例えば特許文献２に開示されている。図７に、ガス循環式冷凍装置と蒸気圧縮式冷凍装置のＣＯＰ（成績係数）を示す。ラインＡはガス循環式冷凍装置のＣＯＰを示し、ラインＢは蒸気圧縮式冷凍装置のＣＯＰを示している。ガス循環式冷凍装置のＣＯＰは、−５５℃より高い温度域において蒸気圧縮式冷凍装置より小さいが、−５５℃以下の超低温温度域において蒸気圧縮式冷凍装置より大きい。

建物の各室の空調や冷凍室等の冷凍を行うため、ＮＨ３を一次冷媒とし、ＣＯ２ブラインを二次冷媒として用いた冷凍装置が、地球環境に無害な蒸気圧縮式冷凍装置として冷却庫に広く使用されるようになっている。この冷凍装置を図８に示す。図８において、４階建ての建物０５の各階に、冷却庫０１〜０４が設けられている。建物０５の１階に機械室Ｍが設けられ、機械室ＭにＮＨ３冷凍装置１００が設けられている。ＮＨ３冷凍装置１００は、一次冷媒のＮＨ３冷媒が循環する循環路１０２に、圧縮機１０４と、凝縮器１０６と、膨張弁１０８と、ＣＯ２液化器１１０とが設けられている。ＣＯ２液化器１１０で二次冷媒のＣＯ２ブラインをＮＨ３冷媒で冷却して液化する。

機械室Ｍの半地下ＧＬに、ＣＯ２液溜器１１４と、液ポンプ１１６とが設けられている。ＣＯ２液化器１１０で冷却され液化したＣＯ２ブラインは、ＣＯ２循環路１１２を通ってＣＯ２液溜器１１４に貯留される。冷却庫０１〜０４に、夫々空気冷却器１２０ａ〜ｄが設けられている。ＣＯ２液溜器１１４に貯留されたＣＯ２ブラインは、液ポンプ１１６によってＣＯ２循環路１１８を介し空気冷却器１２０ａ〜ｄに送られる。空気冷却器１２０ａ〜ｄは、送風機１２６によって内部に空気流が形成されるケーシング１２２と、ケーシング１２２の内部に配設され、ＣＯ２循環路１１８に接続された冷却管１２４と、冷却管１２４の入口に設けられた流量調整弁１２８とを備えている。

冷却管１２４で空気流を冷却し、一部が気化したＣＯ２ブラインは、ＣＯ２循環路１１８からＣＯ２液溜器１１４に戻る。ＣＯ２液溜器１１４に戻ったＣＯ２ガスはＣＯ２液化器１１０で冷却され液化して、ＣＯ２液溜器１１４に戻る。

ＮＨ３冷凍装置１００の圧縮機１０４の能力は、予め各冷却庫０１〜０４の負荷の合計の最大値に見合った能力のものを選定しておく必要がある。一方、各空気冷却器１２０ａ〜ｄでは、最大負荷運転から停止状態まで、負荷の変動に応じて運転状態が異なる。そのため、圧縮機１０４の最大冷却能力からみると、通常のＮＨ３冷凍装置１００の利用率は低くなり、非効率な運転となると共に、イニシャルコスト及びランニングコストが高コストになっている。

特許文献３には、かかる利用率の低下を解消する手段を具備した空気調和装置が開示されている。この空気調和装置は、２系統の冷凍装置とを備えており、複数の冷却室を冷却する場合に、冷却室の冷却負荷が一方の冷凍装置の圧縮機の最大能力以上を要求している時、他方の冷凍装置の液冷媒で冷房能力を補償することで、冷凍装置全体の設計時の最大能力を低く抑えることができるようにしている。

特開２００４−３１７０８１号公報 特開平１０−４７８２９号公報 特開昭６３−２０４０７６号公報

複数の冷却室を備えた冷却庫では、各冷却室の冷却温度は、被保冷物に応じてＣ級の１０℃以下から、Ｆ級の−３０℃以下と多様化してきている。例えば、図８において、冷却庫０１はＣ２級（−２℃〜−１０℃）、冷却庫０２及び０３はＦ１級（−２０℃〜−３０℃）、冷却庫０４はＣ３級（１０℃〜−２℃）で使用される。また、冷却庫０１〜０４の保冷温度は一定ではなく、需要に応じて変更される。そのため、これらのニーズに対応して、冷却温度が異なる複数の冷却庫を、効率良く、かつ低コストで運転できる冷却設備が求められている。

しかし、各冷却庫０１〜０４の冷却温度が異なると、空気冷却器１２０ａ〜ｄの出口における気液二相流のＣＯ２ブラインの圧力は異なってくる。即ち、冷却温度が高いＣ級の冷却庫では、ＣＯ２ブラインの蒸発圧力は高くなり、冷却温度が低いＦ級の冷却庫でＣＯ２ブラインの蒸発圧力は低くなる。そのため、図８の冷凍装置１００のように、１系統のＣＯ２循環路１１８に空気冷却器１２０ａ〜ｄの冷却管１２４が連結してあると、圧力が低いＦ級の冷却庫のＣＯ２ブラインの戻りを阻害することになる。従って、冷却庫０１〜０４の冷却温度の変更に合わせて、空気冷却器１２０ａ〜ｄに供給するＣＯ２ブライン量を調整することが必要になり、複雑な制御となる。なお、特許文献３に開示された空気調和装置は、保冷温度が異なる複数の冷却庫に対応できるものではない。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、安全で環境を害しない閉鎖型ガス循環式冷凍装置と地球環境に無害なＮＨ３冷媒を一次冷媒として用い、ＣＯ２ブラインを二次冷媒として用いた蒸気圧縮式冷凍装置とを併用し、冷却温度が異なる複数の冷却庫に対し、利用率が高く、かつ低コスト化が可能な冷却設備を実現することを目的とする。また、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応可能であり、かつ冷却庫の冷却温度の変動に柔軟に対応可能な冷却設備を実現することを目的とする。また、各冷却庫に設けられた空気冷却器から戻るＣＯ２ブラインが他のＣＯ２ブラインの流れを阻害しないようにすることを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明の冷却設備は、空気又は窒素ガスを冷媒とする閉鎖型ガス循環式冷凍装置と、ＮＨ３を冷媒とするＮＨ３冷凍装置と、複数の冷却室に夫々配置された複数の空気冷却器と、該複数の空気冷却器に夫々ＣＯ２ブラインを供給する複数のブライン供給装置とを備えている。このように、−５０℃以下の超低温域の冷媒温度を可能とする閉鎖型ガス循環式冷凍装置と、−５０℃以上の温度域で冷却能力が高いＮＨ３冷凍装置とを併用することで、ＣＯＰを低下させることなく、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応可能になる。

本発明で用いられる閉鎖型ガス循環式冷凍装置は、駆動モータの単一の出力軸に連結された圧縮機及び膨張機と、該出力軸を回転自在に支持する磁気軸受と、該圧縮機から吐出した冷媒ガスを冷却する中間冷却器と、該膨張機から吐出された冷媒ガスとＣＯ２ブラインとを熱交換させるブライン冷却器とを有している。このように、圧縮機と膨張機とが単一の出力軸に連結されているため、膨張機によって回収した動力で圧縮機の駆動に要する動力を軽減できる。

また、該出力軸を磁気軸受で回転自在に支持しているので、潤滑油が不要になると共に、冷媒として地球に無害な空気又は窒素ガスを用いるので、究極のゼロエミッションを達成できる。また、蒸気圧縮式冷凍装置より高いＣＯＰで、−５５℃以下の超低温への冷却が可能になる。そのため、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応できる。また、冷媒ガスが２ＭＰａ（ゲージ圧）以上の高圧にならないので、安全であり、かつ機器類に耐圧強度が不要となるので低コストとなる。

ＮＨ３冷凍装置は、ＮＨ３循環路と、該ＮＨ３循環路に設けられ、ＣＯ２液化器を含む冷凍サイクル構成機器とを有している。ＮＨ３冷凍装置のＣＯＰは、−５０℃以上では閉鎖型ガス循環式冷凍装置より大きい。従って、冷却室の設定温度及び負荷に応じて、両者のどちらか一方又は両方を運転することで、全体として高い効率で運転できる。例えば、負荷が３０％以下では閉鎖型ガス循環式冷凍装置のみを稼働させ、負荷が３０％を超えたら、両方を稼働させるようにする。あるいは、負荷が大きい昼間は又は夏季等の時間帯においては両方を稼働させ、負荷が小さい夜間等の時間帯においては、閉鎖型ガス循環式冷凍装置のみ運転させ、低温のＣＯ２ブラインを蓄熱するようにする。

本発明の空気冷却器は、ブライン供給装置から供給されるＣＯ２ブラインが流れる冷却管と、該冷却管の表面に沿って空気流を形成する送風機とを有している。また、本発明のブライン供給装置は、ブライン冷却器で冷却されたＣＯ２ブライン液及びＣＯ２液化器で冷却されたＣＯ２ブライン液を貯留するＣＯ２液溜器と、ＣＯ２液溜器に貯留されたＣＯ２ブライン液を空気冷却器に送る液ポンプとを有している。そして、ブライン冷却器及びブライン供給装置は、複数の冷却室毎に独立した配管系で構成されている。

このように、ブライン冷却器及びブライン供給装置が冷却室毎に独立して設けられているので、各冷却室に供給するＣＯ２ブラインの量及び温度を冷却室毎に調整できる。そのため、冷却温度が異なる複数の冷却室を容易に設定温度に制御できると共に、冷却室の頻繁な設定温度の変更に対しても柔軟に対応できる。また、各ブライン冷却器のＣＯ２ブラインの圧力が異なっても、他のＣＯ２ブラインの流れを阻害し合うことがなくなる。

本発明において、ブライン冷却器は、膨張機から吐出された冷媒ガスの流路に対して直列に配置され、冷却温度が低い冷却室に対応したブライン冷却器ほど冷媒ガス流路の上流側部位に配置されるとよい。このように、設定温度が低い冷却室に対応したブライン冷却器は、上流側に配置し、設定温度が高い冷却室に対応したブライン冷却器は、下流側に配置することで、冷媒ガスとＣＯ２ブラインとの熱交換を高効率で行うことができる。そのため、冷却温度が異なる複数のＣＯ２ブラインを所望の温度域に効率良く冷却できる。

本発明において、複数の冷却室に室内温度を検出する温度センサーが夫々設けられ、温度センサーの検出値が入力され、閉鎖型ガス循環式冷凍装置、ＮＨ３冷凍装置及び空気冷却器に設けられた送風機の駆動を制御すると共に、ＣＯ２液溜器から空気冷却器、ブライン冷却器及びＣＯ２液化器に送るＣＯ２ブラインの流量を制御し、複数の冷却室の冷却温度を設定温度に制御する制御装置を備えているとよい。これによって、設定温度が異なる複数の冷却室の温度を効率良くかつ正確に制御できる。例えば、閉鎖型ガス循環式冷凍装置を稼働させ、ＣＯ２液溜器に低温のＣＯ２ブライン液を貯留しておけば、制御装置によって、ＣＯ２液溜器から空気冷却器、ブライン冷却器及びＣＯ２液化器に送るＣＯ２ブラインの流量とを制御することで、複数の冷却室をＣＯ２液溜器に貯留されたＣＯ２ブラインの温度以上の範囲で、任意の温度に制御することが可能になる。

本発明において、ＮＨ３冷凍装置が、ブライン供給装置毎に独立して複数設けるようにすることができる。かかる構成では、冷却室にＣＯ２ブラインを供給する供給系統及び該ＣＯ２ブラインの温度制御装置を完全に独立させることができる。そのため、ＣＯ２ブライン及び該ＣＯ２ブラインが供給される冷却室の冷却温度を容易かつ正確に制御できる。また、冷却室に数に応じて複数のＮＨ３冷凍装置を設けるため、個々のＮＨ３冷凍装置を小型化できる。

本発明において、ＮＨ３冷凍装置が、１系統のＮＨ３循環路と、ＮＨ３循環路に設けられた１組の冷凍サイクル構成機器とを有し、ＣＯ２液化器がブライン供給装置毎に複数設けられ、複数のＣＯ２液化器がＮＨ３循環路に並列に接続されるようにしてもよい。これによって、１台のＮＨ３冷凍装置を設ければよいので、設備を簡素化かつ低コスト化できる。

本発明によれば、閉鎖型ガス循環式冷凍装置と、ＮＨ３冷凍装置と、複数の冷却室に夫々配置された複数の空気冷却器と、該複数の空気冷却器に夫々ＣＯ２ブラインを供給する複数のブライン供給装置とを備えているので、地球環境に無害で、冷却温度が異なる複数の冷却室を冷却するに際し、高い利用率と低コスト化が可能であると共に、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応でき、かつ冷却室の冷却温度の変動に柔軟に対応できる冷却設備を実現できる。また、各冷却室に設けられた空気冷却器から戻るＣＯ２ブラインが他のＣＯ２ブラインの流れを阻害するのを防止できる。

本発明の第１実施形態に係る冷却設備の全体構成図である。 前記第１実施形態に係る冷却設備の一部拡大図である。 前記第１実施形態に係る冷却設備の制御装置を示すブロック線図である。 前記第１実施形態に係る空気冷媒の温度勾配を示す説明図である。 前記第１実施形態に係る冷却設備の負荷率の変動を示す線図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却設備の全体構成図である。 ガス循環式冷凍装置及び蒸気圧縮式冷凍装置のＣＯＰを示す線図である。 従来のＮＨ３冷凍装置の全体構成図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
本発明装置の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１において、４階建ての建物５は、夫々の階に４室の冷却庫１〜４を有しており、本実施形態の冷却設備１０Ａは、冷却庫１〜４を夫々異なる冷却温度に冷却するものである。冷却設備１０Ａは、冷媒とする閉鎖型空気循環式冷凍装置１２と、ＮＨ３を冷媒とする４台のＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄと、各冷却庫１〜４に夫々設けられた４台の空気冷却器１６ａ〜ｄと、各冷却庫１〜４に夫々ＣＯ２ブラインを供給する４台のブライン供給装置１８ａ〜ｄとを備えている。

閉鎖型空気循環式冷凍装置１２は、建物５の屋上等に設けられている。閉鎖型空気循環式冷凍装置１２は、冷媒としての空気が循環する冷媒循環路２０に、圧縮膨張ユニット２２と、水冷式熱交換器２４と、熱回収用熱交換器２６と、ブライン冷却器２８ａ〜ｄとが設けられている。圧縮膨張ユニット２２は、遠心式の圧縮機３０と、駆動モーター３２と、タービン式の膨張機３４とから構成されている。圧縮機３０及び膨張機３４は、駆動モーター３２の単一の回転軸３２ａに結合され同軸に回転する。

図２に示すように、回転軸３２ａを圧縮機３０、駆動モーター３２及び膨張機３４のケーシング（図示省略）との間で回転自在に支持する軸受は磁気軸受３６を使用している。そのため、潤滑油は不要となり、かつ冷媒ガスとして空気を使用するゼロエミッションの冷凍装置である。水冷式熱交換器２４は、冷媒循環路２０の圧縮機吐出側部位と、冷却水循環路３８とに跨って設けられている。冷却水循環路３８には、冷却水を矢印方向へ循環する冷却水ポンプ４０と、水冷式熱交換器２４で昇温した冷却水を冷却する冷却塔４２が設けられている。

膨張機３４の吐出側冷媒循環路２０に、互いに独立した４個のブライン冷却器２８ａ〜ｄが直列に設けられている。ブライン冷却器２８ａ〜ｄで、膨張機３４から吐出された空気とＣＯ２ブラインとが熱交換し、ＣＯ２ブラインを冷却する。熱回収用熱交換器２６は、水冷式熱交換器２４の出口側の冷媒循環路２０と、ブライン冷却器２８ａ〜ｄの出口側冷媒循環路２０とに跨って設けられている。

かかる構成において、冷媒として用いられる空気は、圧縮機３０で断熱圧縮され、吐出圧力が２．０ＭＰａ以下の範囲で高温高圧となって吐出される。圧縮機３０から吐出された空気は、水冷式熱交換器２４で冷却水循環路３８を循環する冷却水で一次冷却される。一次冷却された空気は、熱回収用熱交換器２６でブライン冷却器２８ａ〜ｄから戻った低温（−４０℃〜−５０℃）の空気で二次冷却される。二次冷却された空気は、膨張機３４で断熱膨張され、超低温（−６０℃〜−７０℃）でかつ大気圧以下の低圧の空気となって吐出される。他方、ブライン冷却器２８ａ〜ｄから戻った空気は、圧縮機３０の吸入口に吸入される。

ブライン冷却器２８ａ〜ｄは、冷媒循環路２０の上流側から、２８ｃ、２８ｂ、２８ａ、２８ｄの順に配置されている。ブライン冷却器２８ａ〜ｄには、夫々ブライン循環路７２ａ〜ｄが導設されている。即ち、ブライン冷却器２８ａにはブライン循環路７２ａが導設され、ブライン冷却器２８ｂにはブライン循環路４６ｂが導設され、ブライン冷却器２８ｃにはブライン循環路７２ｃが導設され、ブライン冷却器２８ｄにはブライン循環路７２ｄが夫々導設されている。ブライン循環路７２ａ〜ｄは、互いに独立している。

膨張機３４から吐出された低温低圧の空気は、ブライン冷却器２８ａ〜ｄで、上流側から順にブライン循環路７２ａ〜ｄを流れるＣＯ２ブラインガスと熱交換し、ガス状のＣＯ２ブラインを冷却し液化させる。

４台のＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄは、後述するブライン供給装置１８ａ〜ｄに対して並列に配置され、同一構成を有している。ＮＨ３冷凍装置１４ａを例に取って、ＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄの構成を説明する。ＮＨ３冷凍装置１４ａは、冷媒としてＮＨ３が循環するＮＨ３循環路４６ａに、冷凍サイクル構成機器である圧縮機４８ａと、蒸発式凝縮器５０ａと、受液器５２ａと、膨張弁５４ａと、ＣＯ２液化器５６ａとが設けられている。圧縮機４８ａは駆動モーター４９ａで駆動され、圧縮機４８ａで断熱圧縮されたＮＨ３冷媒は、蒸発式凝縮器５０ａで冷却されて液化する。液化したＮＨ３冷媒は、受液器５２ａに一旦貯留され、その後、膨張弁５４ａを経て減圧され、ＣＯ２液化器５６ａに送られる。

ＣＯ２液化器５６ａには、後述するブライン循環路７６ａが導設されており、ブライン循環路７６ａからガス状のＣＯ２ブラインが送られてくる。ＣＯ２液化器５６ａで、ＮＨ３冷媒はガス状のＣＯ２ブラインを冷却して液化する。液化したＣＯ２ブラインは後述するＣＯ２液溜器６４ａに戻る。

各冷却庫１〜４内の上部内部に夫々空気冷却器１６ａ〜ｄが配設され、空気冷却器１６ａ〜ｄの構成を、空気冷却器１６ａを例に取って説明する。冷却庫１内の空気を導入自在な開口をもつケーシング５８ａが設けられ、ケーシング５８ａ内に蛇行形成されたブライン蒸発管６０ａが設けられている。ブライン蒸発管６０ａは、後述するブライン循環路６６ａに接続されている。また、ケーシング５８ａの開口出口に送風機６２ａが設けられ、送風機６２ａによってブライン蒸発管６０ａの表面に沿う空気流が形成される。

ブライン蒸発管６０ａにはブライン循環路６６ａから液状のＣＯ２ブラインが送られてくる。液状のＣＯ２ブラインはブライン蒸発管６０ａで空気流と熱交換し、該空気流を冷却すると共に、自身は一部が気化する。

次に、４台のブライン供給装置１８ａ〜ｄの構成を、ブライン供給装置１８ａを例に取って説明する。建物５の近傍に、ＣＯ２液溜器６４ａ〜ｄが設けられている。ＣＯ２液溜器６４ａと空気冷却器１６ａとの間に、ブライン循環路６６ａが設けられている。ＣＯ２液溜器６４ａから空気冷却器１６ａに液状のＣＯ２ブラインを送るブライン循環路６６ａの往路は、ＣＯ２液溜器６４ａの下部液溜部に接続されている。該往路に液ポンプ６８ａ及び液ポンプ６８ａの下流側部位に流量調整弁７０ａが設けられている。

ＣＯ２液溜器６４ａとブライン冷却器２８との間にブライン循環路７２ａが設けられている。ＣＯ２液溜器６４ａからブライン冷却器２８ａにガス状のＣＯ２ブラインを送るブライン循環路７２ａの往路は、ＣＯ２液溜器６４ａの上部に接続されている。また、該往路に流量調整弁７４ａが設けられている。該往路からガス状のＣＯ２ブラインがブライン冷却器２８ａに送られ、ガス状のＣＯ２ブラインはブライン冷却器２８ａで冷却されて液化され、ＣＯ２液溜器６４ａに戻る。同様に、ブライン循環路７２ｂはＣＯ２液溜器６４ｂとブライン冷却器２８ｂとの間に設けられ、ブライン循環路７２ｃはＣＯ２液溜器６４ｃとブライン冷却器２８ｃとの間に設けられ、ブライン循環路７２ｄはＣＯ２液溜器６４ｄとブライン冷却器２８ｄとの間に設けられている。

さらに、ＣＯ２液溜器６４ａとＣＯ２液化器５６ａとの間にブライン循環路７６ａが設けられている。ＣＯ２液溜器６４ａからブライン冷却器２８ａにガス状のＣＯ２ブラインを送るブライン循環路７２ａの往路に、流量調整弁７６ａが設けられている。該往路からガス状のＣＯ２ブラインがＣＯ２液化器５６ａに送られ、ガス状のＣＯ２ブラインはＣＯ２液化器５６ａで冷却され液化してＣＯ２液溜器６４ａに戻る。

かかる構成において、ＣＯ２液溜器６４ａから液状のＣＯ２ブラインが液ポンプ６８ａで空気冷却器１６ａに送られ、液状のＣＯ２ブラインはブライン蒸発管６０ａで空気流と熱交換して該空気流を冷却する。ブライン蒸発管６０ａで一部が気化したＣＯ２ブラインはＣＯ２液溜器６４ａに戻る。また、ＣＯ２液溜器６４ａ内のガス状のＣＯ２ブラインは、ＣＯ２液溜器６４ａより上方に位置するブライン冷却器２８ａに自然循環で移動する。ブライン冷却器２８ａに移動したガス状のＣＯ２ブラインは、ブライン冷却器２８ａで空気冷媒によって冷却され、液化してＣＯ２液溜器６４ａに流下する。

同様に、ＣＯ２液溜器６４ａ内のガス状のＣＯ２ブラインは、ＣＯ２液溜器６４ａより上方に位置するＣＯ２液化器５６ａに自然循環で移動する。ＣＯ２液化器５６ａに移動したガス状のＣＯ２ブラインは、ＣＯ２液化器５６ａでＮＨ３冷媒によって冷却され、液化してＣＯ２液溜器６４ａに戻る。他の冷却庫２〜４を冷却する３系統の冷却装置も同様に動作する。ＣＯ２液溜器６４ａに接続されたブライン循環路６６ａ、７２ａ及び７６ａと、他の３系統のブライン供給装置１８ａ〜ｄに属するブライン循環路とは、互いに独立して設けられている。図１〜図４においては、４系統の冷却装置において、同一の機器又は部位に対して同一の番号を付し、番号の後に付したアルファベット文字（ａ〜ｄ）でどの系統の冷却装置に属するかを識別している。

図３は冷却設備１０Ａの制御系を示す。冷却庫１〜４には、夫々庫内温度を検出する温度センサー８２ａ〜ｄが設けられている。温度センサー８２ａ〜ｄの検出値は制御装置８０に入力される。制御装置８０では、温度センサー８２ａ〜ｄの検出値に基づいて、圧縮膨張ユニット２２の駆動モーター３２、圧縮機４８ａ〜ｄの駆動モーター４９ａ〜ｄ、送風機６２ａ〜ｄの駆動モーター６３ａ〜ｄ、及び流量調整弁７０ａ〜ｄ、７４ａ〜ｄ及び７８ａ〜ｄを制御する。これによって、冷却庫１〜４の庫内温度を設定温度に制御している。

従来、冷却設備１０Ａの圧縮機等の能力は、各冷却庫１〜４の負荷の最大値に見合った能力を有するものが選定されている。一方、冷却庫１〜４の通常使用時には、当初設定された負荷の最大値の３０〜５０％で運転されている。本実施形態では、空気冷却器１６ａ〜ｄでの負荷変動が当初設定された負荷の最大値の３０％程度のときには、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２のみを運転させる。即ち、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２でＣＯ２ブラインを冷却液化させ、ＣＯ２液溜器６４ａ〜ｄに貯留する。このＣＯ２ブラインを冷却庫１〜４の空気冷却器１６ａ〜ｄに送り、冷却庫１〜４を冷却する。

各冷却庫１〜４は、夫々異なった冷却負荷率で運転される。例えば、冷却庫１（１Ｆ）の冷却負荷率は３０％となり、冷却庫２（２Ｆ）の冷却負荷率は４０％となり、冷却庫３（３Ｆ）の冷却負荷率は５０％となり、冷却庫４（４Ｆ）の冷却負荷率は４０％となるとする。冷却負荷率が３０％である冷却庫１（１Ｆ）は、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２のみの稼働でＣＯ２ブラインを冷却する。そのため、ＮＨ３冷凍装置１４ａは稼働させない。冷却負荷率が４０〜５０％である冷却庫２〜４（２〜４Ｆ）は、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２及びＮＨ３冷凍装置１４ｂ〜ｄを併用し、これらの運転でＣＯ２ブラインを冷却する。

また、冷却庫１〜４の冷却温度も、被保冷物によってＣ級（１０℃以下）からＦ級（−３０℃以下）と夫々異なる設定温度となる。例えば、冷却庫１（１Ｆ）はＣ２級（−２℃〜−１０℃）に、冷却庫２（２Ｆ）及び冷却庫３（３Ｆ）はＦ１級（−２０℃〜−３０℃）に、冷却庫４（４Ｆ）はＣ３級（１０℃〜−２℃）に設定されるとする。

図４に、冷媒循環路２０の空気冷媒の温度、及び各ブライン冷却器２８ａ〜ｄにおけるＣＯ２ブラインの温度を示す。図４に示すように、膨張機３４の出口の空気冷媒温度は−７０℃であり、熱回収用熱交換器２６の入口における空気冷媒温度は−５０℃である。温度差ΔＴ＝２０℃の冷熱がブライン冷却器２８ａ〜ｄに分配されて、ＣＯ２ブラインを冷却液化する。温度差ΔＴが２０℃となる熱交換が最も効率が良い。

例えば、冷却庫１（１Ｆ）は、ブライン冷却器２８ａで冷却液化された−１０℃のＣＯ２ブラインが、ＣＯ２液溜器６４ａを介して空気冷却器１６ａに送られる。冷却庫４（４Ｆ）は、ブライン冷却器２８ｄで冷却液化された−５℃の低温のＣＯ２ブライン液が、ＣＯ２液溜器６４ｄを介して空気冷却器１６ｄに送られる。冷却庫２（２Ｆ）及び冷却庫３（３Ｆ）は、ブライン冷却器２８ｂ及び２８ｃで冷却液化された−３５℃〜−３０℃の低温のＣＯ２ブライン液が、ＣＯ２液溜器６４ｂ及び６４ｃを介して送られる。

本実施形態によれば、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２においては、圧縮機３０の駆動に要する動力を膨張機３４で回収した動力で軽減できるので省エネとなる。また、駆動モーター３２の出力軸３２ａを磁気軸受３６で支持しているので、潤滑油が不要になると共に、地球に無害な空気冷媒を用いているので、究極のゼロエミッションを達成できる。また、蒸気圧縮式冷凍装置より高いＣＯＰで、空気冷媒を−５５℃以下の超低温へ冷却でき、そのため、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応できる。また、冷媒ガスが２ＭＰａ（ゲージ圧）以上の高圧にならないので、安全であり、機器類に耐圧強度が不要となるので低コストとなる。

また、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２又はＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄを併用することで、超低温域を含む広い温度範囲の冷却に対応できる。また、これらの冷凍装置をＣＯＰが高い温度域で運転させることで、全体として高いＣＯＰを維持できる。また、これらの冷凍装置の併用又は単独使用を使い分けることで、通常の利用率を高めることができる。そのため、設備費及びランニングコストを節減できる。

また、図５に示すように、昼間や夏季、冬季等のように、冷却庫１〜４の負荷率が高い時間帯Ｃにおいては、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２及びＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄを併用する。一方、深夜等のように、冷却庫１〜４の負荷率が低い時間帯Ｄにおいては、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２を稼働させ、低温のＣＯ２ブラインをＣＯ２液溜器６４ａ〜ｄに蓄熱する。そして、時間帯Ｄで蓄熱した冷熱を負荷率が高い時間帯Ｃで用いるようにする。これによって、負荷の変動に対して柔軟に対応できる。

また、ブライン冷却器２８ａ〜ｄ及びブライン循環路６６ａ〜ｄ、７２ａ〜ｄ及び７６ａ〜ｄが、各冷却庫１〜４を冷却する４系統の冷却装置毎に独立して設けられているので、各冷却庫１〜４に供給するＣＯ２ブラインの量及び温度を冷却庫毎に調整するのが容易になる。そのため、冷却庫１〜４の冷却温度が異なる場合でも、容易に冷却温度への調整が容易であると共に、冷却庫１〜４の頻繁な冷却温度の変更に対しても柔軟に対応できる。また、ブライン冷却器２８ａ〜ｄ及びブライン供給装置１８ａ〜ｄの配管系が独立しているので、各ブライン冷却器２８ａ〜ｄのＣＯ２ブラインの圧力が異なっても、互いに影響を及ぼし合うことがなく、そのため、他のＣＯ２ブラインの流れを阻害しない。

また、ブライン冷却器２８ａ〜ｄを冷媒循環路２０に対して直列に配置すると共に、冷却温度が低い冷却庫に対応したブライン冷却器ほど冷媒循環路２０の上流側部位に配置されているので、各ブライン冷却器２８ａ〜ｄでＣＯ２ブラインの温度を所望の温度に効率良く調整できる。また、制御装置８０によって、温度センサー８２ａ〜ｄの検出値に基づいて、圧縮機３０の駆動モーター３２、圧縮機４８ａ〜ｄの駆動モーター４９ａ〜ｄ、及び送風機６２ａ〜ｄの駆動モーター６３ａ〜ｄを制御すると共に、流量調整弁７０ａ〜ｄ、７４ａ〜ｄ及び７８ａ〜ｄの開度を制御しているので、冷却温度が異なる複数の冷却庫１〜４の庫内温度を任意の温度に正確に制御できる。

また、ＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄが４系統の冷却装置毎に別々に設けられているので、ＮＨ３冷凍装置を複数に分割して配置できるなど、ＮＨ３冷凍装置１４ａ〜ｄを小型化できる。また、冷却庫１〜４が低負荷のとき、閉鎖型空気循環式冷凍装置１２を稼働させ、低温のＣＯ２ブラインを蓄熱しておけば、高負荷時にこのＣＯ２ブラインを利用でき、負荷の変動に対して柔軟に対応できる。

（実施形態２）
次に、本発明装置の第２実施形態を図６により説明する。図６に示す本実施形態の冷却設備１０Ｂにおいて、ＮＨ３冷凍装置８４は、１系統のＮＨ３循環路８６に、冷凍サイクル構成機器である、圧縮機８８及びその駆動モーター８９、蒸発式凝縮器９０、及び受液器９２が設けられている。受液器９２の下流側ＮＨ３循環路８６は４本の分岐循環路９４ａ〜ｄに分岐している。各分岐循環路９４ａ〜ｄには、電磁開閉弁９６ａ〜ｄ及びその下流側部位に膨張弁９８ａ〜ｄが設けられている。各分岐循環路９４ａ〜ｄにはＣＯ２液化器５６ａ〜ｄが設けられ、各ＣＯ２液化器５６ａ〜ｄとＣＯ２液溜器６４ａ〜ｄとの間に、ブライン循環路７６ａ〜ｄが設けられている。電磁開閉弁９６ａ〜ｄは制御装置８０によってその開閉動作を制御される。

前記第１実施形態では、制御装置８０は駆動モーター４９ａ〜ｄを制御するが、本実施形態では、制御装置８０は駆動モーター８９を制御する。また、本実施形態では、ＮＨ３冷媒は受液器９２の下流側で各分岐循環路９４ａ〜ｄに分岐し、膨張弁９８ａ〜ｄで減圧されて各ＣＯ２液化器５６ａ〜ｄに流入する。各分岐循環路９４ａ〜ｄの開閉及び各分岐循環路９４ａ〜ｄに流入するＮＨ３冷媒の流量は、制御装置８０で電磁開閉弁９６ａ〜ｄを制御することで調整される。各ＣＯ２液化器５６ａ〜ｄで、ＮＨ３冷媒は、ブライン循環路７６ａ〜ｄから送られたＣＯ２ブラインを冷却液化する。その他の構成及び動作は前記第１実施形態と同一である。

本実施形態によれば、第１実施形態で得られる作用効果に加えて、１台のＮＨ３冷凍装置８４を設ければよいので、第１実施形態と比べて、設備コストを節減できる。また、ＮＨ３冷凍装置８４の設置スペースに余裕ができるので、ＣＯ２液化器５６ａ〜ｄをすべてＣＯ２液溜器６４ａ〜ｄの上方位置に配置するのが容易になる。従って、ＣＯ２液化器５６ａ〜ｄで液化したＣＯ２ブラインを自然循環でＣＯ２液溜器６４ａ〜ｄに戻すのが容易になる。

本発明によれば、地球環境に無害で、異なる冷却温度を有する複数の冷却室に対して、利用率が高く、低コストでかつ高効率の冷却設備を実現できる。

１〜４、０１〜０４ 冷却庫
５、０５ 建物
１０Ａ、１０Ｂ 冷却設備
１２ 閉鎖型空気循環式冷凍装置
１４ａ〜ｄ、８４，１００ ＮＨ３冷凍装置
１６ａ〜ｄ、１２０ａ〜ｄ 空気冷却器
１８ａ〜ｄ ブライン供給装置
２０ 冷媒循環路
２２ 圧縮膨張ユニット
２４ 水冷式熱交換器
２６ 熱回収用熱交換器
２８ａ〜ｄ ブライン冷却器
３０、４８ａ〜ｄ、８８，１０４ 圧縮機
３２、４９ａ〜ｄ、６３ａ〜ｄ、８９ 駆動モーター
３２ａ 回転軸
３４ 膨張機
３６ 磁気軸受
３８ 冷却水循環路
４０ 冷却水ポンプ
４２ 冷却塔
４６ａ〜ｄ、８６，１０２ ＮＨ３循環路
５０ａ〜ｄ、９０ 蒸発式凝縮器
５２ａ〜ｄ、９２ 受液器
５４ａ〜ｄ、９８ａ〜ｄ、１０８ 膨張弁
５６ａ〜ｄ、１１０ ＣＯ２液化器
５８ａ〜ｄ、１２２ ケーシング
６０ａ〜ｄ ブライン蒸発管
６２ａ〜ｄ、１２６ 送風機
６４ａ〜ｄ、１１４ ＣＯ２液溜器
６６ａ〜ｄ、７２ａ〜ｄ、７６ａ〜ｄ ブライン循環路
６８ａ〜ｄ、１１６ 液ポンプ
７０ａ〜ｄ、７４ａ〜ｄ、７８ａ〜ｄ、１２８ 流量調整弁
８０ 制御装置
８２ａ〜ｄ 温度センサー
９４ａ〜ｄ 分岐循環路
９６ａ〜ｄ 電磁開閉弁
１０６ 凝縮器
１１２，１１８ ＣＯ２循環路
１２４ 冷却管

Claims (5)

1. 空気又は窒素ガスを冷媒とする閉鎖型ガス循環式冷凍装置と、ＮＨ３を冷媒とするＮＨ３冷凍装置と、複数の冷却室に夫々配置された複数の空気冷却器と、該複数の空気冷却器に夫々ＣＯ２ブラインを供給する複数のブライン供給装置とを備え、
   前記閉鎖型ガス循環式冷凍装置は、駆動モータの単一の出力軸に連結された圧縮機及び膨張機と、該出力軸を回転自在に支持する磁気軸受と、該圧縮機から吐出した冷媒ガスを冷却する中間冷却器と、該膨張機から吐出された冷媒ガスとＣＯ２ブラインとを熱交換させるブライン冷却器とを有し、
   前記ＮＨ３冷凍装置は、ＮＨ３循環路と、該ＮＨ３循環路に設けられ、ＣＯ２液化器を含む冷凍サイクル構成機器とを有し、
   前記空気冷却器は、前記ブライン供給装置から供給されるＣＯ２ブラインが流れる冷却管と、該冷却管の表面に沿って空気流を形成する送風機とを有し、
   前記ブライン供給装置は、前記ブライン冷却器で冷却されたＣＯ２ブライン液及び前記ＣＯ２液化器で冷却されたＣＯ２ブライン液を貯留するＣＯ２液溜器と、該ＣＯ２液溜器に貯留されたＣＯ２ブライン液を前記空気冷却器に送る液ポンプとを有し、
   前記ブライン冷却器及び前記ブライン供給装置は、前記複数の冷却室毎に独立した配管系で構成されていることを特徴とする冷却設備。
2. 前記ブライン冷却器は、前記膨張機から吐出された冷媒ガスの流路に対して直列に配置され、冷却温度が低い冷却室に対応したブライン冷却器ほど冷媒ガス流路の上流側部位に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
3. 前記複数の冷却室に室内温度を検出する温度センサーが夫々設けられ、
   前記温度センサーの検出値が入力され、前記閉鎖型ガス循環式冷凍装置、前記ＮＨ３冷凍装置及び前記空気冷却器に設けられた送風機の駆動を制御すると共に、前記ＣＯ２液溜器から前記空気冷却器、前記ブライン冷却器及び前記ＣＯ２液化器に送るＣＯ２ブラインの流量とを制御し、前記複数の冷却室の冷却温度を設定温度に制御する制御装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
4. 前記ＮＨ３冷凍装置が、前記ブライン供給装置毎に独立して複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
5. 前記ＮＨ３冷凍装置が、１系統のＮＨ３循環路と、該ＮＨ３循環路に設けられた冷凍サイクル構成機器とを有し、前記ＣＯ２液化器が、前記ブライン供給装置毎に複数設けられ、複数のＣＯ２液化器が前記ＮＨ３循環路に並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。

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