JP2019052772A - 真空冷却機およびその熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】真空冷却庫内に収容された冷却対象物の冷媒による汚染を抑制する。【解決手段】真空冷却機用の熱交換器３は、真空配管３ａと、冷媒配管３ｂと、流入口３ｃと、排出口３ｄと、凝縮水排出口３ｅとを有する。流入口３ｃは、冷却対象物が収容される真空冷却庫に接続される。排出口３ｄは、真空ポンプに接続される。真空配管３ａは、略円筒状の形状を有し、流入口３ｃから流入した流体を排出口３ｄに導く流路が形成されている。冷媒配管３ｂは、真空配管３ａの外周に配置されていると共に、真空配管３ａとの間に存在する隔壁を介して、真空配管３ａ内を流れる流体を自己内を流れる冷媒との熱交換によって冷却する。凝縮水排出口３ｅは、記流体に含まれる水分が凝縮して、真空配管３ａ内に貯留される凝縮水を外部に排出する。【選択図】図２

Description

本発明は、真空冷却機およびその熱交換器に関する。

従来、食材などの冷却対象物を冷却するための装置として、真空冷却機が知られている。例えば、特許文献１には、熱交換器（コールドトラップ）を用いた真空冷却方式が開示されている。具体的には、野菜が収納された真空冷却庫内を真空ポンプで減圧状態（真空）として、水が蒸発する沸騰圧力０．８ｋｐａ（飽和蒸気温度＋４℃)まで低下させる。これによって、野菜自身がもつ水分が内部から蒸発して、野菜から熱が奪われるため、野菜が急速に冷却される。この冷却過程において、真空ポンプを効率良く運転するために、真空冷却庫と真空ポンプとの間に熱交換器を設け、水蒸気を結露させて凝縮水として除去する。熱交換器に供給する冷媒としては、フロン、または、ＮＨ₃やＣＯ₂などの自然冷媒が用いられる。なお、特許文献１には、熱交換器の具体的な構成については開示されていない。

特開２０１６−１７６６８号公報

上述した特許文献１は、熱交換器の冷却能力を高めること、および、冷凍機の小型化を図ることを課題としたものであり、真空冷却庫内に収容された冷却対象物の冷媒による汚染については考慮していない。熱交換器の冷却能力を高めるべく、熱交換器の一般的な構成として、真空冷却庫からの流体（水分を含む。）が流れる真空配管の内部に冷媒配管を配置した場合、換言すれば、冷媒配管の周囲に冷却対象となる流体がくまなく存在するような構成では、真空冷却庫内の食材が冷媒によって汚染されるおそれがある。なぜなら、腐食や破損によって冷媒配管からフロンなどの冷媒が漏れ出すと、漏れ出した冷媒が真空配管を介して真空冷却庫に逆流する可能性があるからである。これは、食材の一層の安全性が要求される昨今、速やかに対処すべき問題である。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、真空冷却庫内に収容された冷却対象物の冷媒による汚染を抑制することである。

第１の発明は、流入口と、排出口と、真空配管と、冷媒流路とを有する真空冷却機用の熱交換器を提供する。流入口は、冷却対象物が収容される真空冷却庫に接続される。排出口は、真空ポンプに接続される。真空配管は、略円筒状の形状を有し、流入口から流入した流体を排出口に導く流路が形成されている。冷媒流路は、真空配管の外周側および内周側のいずれか一方に配置されていると共に、真空配管との間に存在する隔壁を介して、真空配管内を流れる流体を、自己内を流れる冷媒との熱交換によって冷却する。

ここで、第１の発明において、上記隔壁は、真空配管の管壁と、真空配管とは別部材として組み付けられた冷媒流路の管壁とで構成されていてもよい。この場合、上記冷媒流路は、真空配管の外周にコイル状に巻回されていてもよい。また、第１の発明において、流体に含まれる水分が凝縮して、真空配管内に貯留される凝縮水を外部に排出する凝縮水排出口をさらに設けてもよい。さらに、第１の発明において、上記真空配管の流路の断面積は、上記冷媒流路の流路の断面積よりも大きいことが好ましい。

第２の発明は、真空冷却庫と、熱交換器と、真空ポンプとを有する真空冷却機を提供する。真空冷却庫には、冷却対象物が収容される。熱交換器は、冷媒循環系を循環する冷媒との熱交換によって、真空冷却庫より流入した流体を冷却する。真空ポンプは、熱交換器によって冷却された流体を外部に排出する。ここで、熱交換器は、真空冷却庫に接続された流入口と、 真空ポンプに接続された排出口と、流入口から流入した流体を排出口に導く流路が形成された略円筒状の真空配管と、真空配管の外周側および内周側のいずれか一方に配置されていると共に、真空配管との間に存在する隔壁を介して、真空配管内を流れる流体を、自己内を流れる冷媒との熱交換によって冷却する冷媒流路とを有する。

ここで、第２の発明において、上記隔壁は、真空配管の管壁と、真空配管とは別部材として組み付けられた冷媒流路の管壁とで構成されていてもよい。また、第２の発明において、熱交換器に取り付けられ、流体に含まれる水分が凝縮して真空配管内に貯留される凝縮水を外部に排出する凝縮水排出系をさらに設けてもよい。さらに、第２の発明において、上記冷媒は、フロンまたは自然冷媒であることが好ましい。

本発明によれば、真空冷却庫からの流体が流れる真空配管の外周側および内周側のいずれか一方に冷媒流路を配置することで、冷媒流路の周囲に流体がくまなく存在するような状況を避けることができる。これにより、腐食や衝撃によって冷媒流路から冷媒が漏れ出したとしても、真空配管内に直ちに流入する可能性を低減できるので、庫内に収容されている食材などの冷却対象物の汚染を有効に抑制できる。特に、真空配管とは別部材化された冷媒流路を組み付ける場合、真空配管の管壁と冷媒流路の管壁とによって、冷媒および流体が多重に仕切られるので、冷却対象物の汚染をより有効に抑制できる。

真空冷却機の概略的な全体構成図 熱交換器の外観斜視図 真空配管の内部構成図 冷媒配管の別の一例を示す要部断面図

図１は、本実施形態にかかる真空冷却機の概略的な全体構成図である。この真空冷却機１は、直膨型ドライ真空冷却機とも呼ばれ、真空冷却庫２と、熱交換器３と、真空ポンプ４と、冷媒循環系５とを主体に構成されている。この冷却器１の動作を概略的に述べると、食材などの冷却対象物を真空冷却庫２内に収容した上で、真空ポンプ４を動作させて、庫内を減圧していく。そして、所定の減圧状態（真空）になると、食材に含まれている水分が沸騰し、それによる蒸発潜熱で食材が冷却される。この冷却過程では、熱交換器３における冷媒との熱交換（冷却）によって、真空冷却庫２から排出された流体に含まれる水分（水蒸気）が結露し、凝縮水として外部に排出される。

真空冷却庫２は、開閉式の扉を備え、その内部に食材が収容される。この真空冷却庫２には、熱交換器３に流体を導入する配管６ａと、真空制御装置７とが取り付けられている。真空制御装置７は、真空冷却庫２内の真空度を調節すると共に、食材の冷却が完了した後、真空環境下の庫内に空気を入れて大気圧になるまで復圧する。庫内からの食材の取り出しは、大気圧への復圧後に行われる。

熱交換器３は、冷媒循環系５を循環する冷媒との熱交換によって、真空冷却庫２より流入した流体を冷却する。真空ポンプ４は、配管６ａを介して真空冷却庫２内の流体を吸引すると共に、熱交換器３によって冷却された流体を、配管６ｂを介して外部に排出する。この配管６ｂには、真空ポンプ４から熱交換器３に向けた流体の逆流を防止すべく、逆止弁８が設けられている。また、熱交換器３には、流体に含まれる水分が凝縮して内部に貯留した凝縮水を外部に排出するための凝縮水排出系として、電磁弁や電動弁などの自動弁９を備えたバルブ配管６ｃが取り付けられている。

冷媒循環系５は、熱交換器３に接続されており、圧縮機および凝縮器よりなる冷凍機５ａと、膨張弁５ｂとを備えている。冷凍機５ａの運転中、冷媒は冷凍サイクルを繰り返しながら冷媒循環系５を循環する。すなわち、冷凍機５ａに供給された冷媒は、圧縮機によって圧縮されて高温高圧ガスとなり、凝縮器によって凝縮（液化）された上で、高圧液となって冷凍機５ａより放出される。高圧液化された冷媒は、膨張弁５ｂによって減圧され、低圧液となって熱交換器３に供給される。低圧液化された冷媒は、熱交換器３における流体との熱交換によって蒸発（気化）し、低圧ガスとなって冷凍機５ａに戻される。このような冷媒の冷凍サイクルにおいて、熱交換器３内を流れる流体は、低圧液化された冷媒が気体に相変化する際の気化熱によって冷却される。

本実施形態では、冷媒として、フロン、または、二酸化炭素、アンモニア、プロパン系化合物などの自然冷媒を用いる。一般に、冷媒として水やブラインを用いた場合、室外設置のチリングユニットといった付帯設備の工事や水槽の取付、それらの定期的な清掃など敷設・運用が負担となる。水やブラインに代えて、フロンや自然冷媒を用いて、冷凍サイクルを内蔵した場合、真空冷却機１の装置内に水の循環系統が不要になる。その結果、給水配管の敷設が不要となり、付帯設備工事の大幅な軽減を図れるといった利点がある。

配管６ｂにおける真空ポンプ４の上流側には、配管６ｄが分岐して取り付けられており、この配管６ｄには、流量制御弁１０と、自動弁１１とが設けられている。流量制御弁１０は、配管６ｄを流れる流体の流量を調整する。また、自動弁１１は、冷却初期時に開状態に設定され、所定の割合で外気を取り入れて真空ポンプ４に供給する。真空冷却機１の原理上、急速に冷却する場合は熱交換器３に瞬間的な熱負荷上昇が発生する。顕熱で冷却する水に対し、潜熱で冷却するフロン等はその点で不利である。そのため、最初期の減圧で沸騰した高温高湿の流体（空気）を凝縮し切れず、水分が真空ポンプ４に行ってしまい性能が低下する。また、フロン側も急激に温度が上昇して過熱状態で冷凍機の圧縮機に戻るため負荷が大きい。

最初期の減圧で生じる高温高湿の流体を熱交換器３だけで処理することは物理的な大きさからして容易ではない。そこで、最初期の減圧時には、真空ポンプ４の吸込口に外気を取り入れる小口径の配管６ｄを取り付け、外気を取り込むことで高温高湿の空気を緩和し、真空ポンプ４の負担を軽減する。外気を取り入れるため、最初期は減圧速度が低下するものの、これにより庫内の食材から水分が沸騰する速度も低下するため、流体に含まれる水分量が低下して、真空ポンプ４や冷凍機５ａの負担が軽減される。長時間これを行うと真空冷却にかかる時間も伸びるため、最初期の食材が高温である期間だけ自動弁１１（リーク弁）を開き、食材温度が一定以下に下がるタイミングで取込みを停止し、通常の冷却に移る。

図２は、熱交換器３の外観斜視図である。この熱交換器３は、真空配管３ａと、この真空配管３ａとは別部材として用意された冷媒配管３ｂとを主体に構成されており、真空配管３ａには、流入口３ｃと、排出口３ｄと、凝縮水排出口３ｅとが設けられている。真空配管３ａは、略円筒状の形状を有しており、例えばステンレスで形成されている。また、真空配管３ａの内部には、流入口３ｃから流入した流体を排出口３ｄに導くための流路が形成されている。ここで、真空配管３ａの流路の断面積は、冷媒配管３ｂの流路の断面積よりも大きいことが好ましい。

一方、冷媒流路となる冷媒配管３ｂは、真空配管３ａの外周側において、真空配管３ａと接するように配置されており、例えば銅で形成されている。本実施形態において、冷媒配管３ｂは、真空配管３ａの外周にコイル状に密に巻回されている。真空配管３ａを流れる流体は、冷媒配管３ｂを流れる冷媒との熱交換によって冷却される。流入口３ｃには、真空冷却庫２に接続された配管６ａが取り付けられている。排出口３ｄには、真空ポンプ４が設けられた配管６ｂに接続されている。また、凝縮水排出口３ｅには、凝縮水を排出するための配管６ｃに接続されている。なお、冷媒配管３ｂの外周側は断熱材で被覆しておくことが好ましい。

図３は、真空配管３ａの内部構成図である。本実施形態において、真空配管３ａの内部には、軸方向に延在する区分板３ｆが設けられており、左右に区分された２つの空間は底部で互いに連通している。そして、左側の空間の頂部には、流入口３ｃが設けられていると共に、右側の空間の上側部には、排出口３ｄが設けられている。これにより、流入口３ｃより流入した流体は、これらの空間（流路）に沿って、真空配管３ａを軸方向に略一往復した上で、排出口３ｄより排出されることになる。この過程において、真空配管３ａ内を流れる流体は、真空配管３ｂとの間に存在する隔壁（具体的には、真空配管３ａの管壁および冷媒配管３ｂの管壁）を介した冷媒との熱交換によって冷却される。これにより、真空配管３ａの内部において流体に含まれる水分が凝縮すると、真空配管３ａの底部に凝縮水が貯留する。貯留した凝縮水は、流体の流路途中（底部）に設けられた凝縮水排出口３ｅを介して外部に排出される。

なお、真空配管３ａの流路は、図３の構成に限定されるものではなく、冷媒との熱交換が可能である限り、どのような構成であってもよい。例えば、区分板３ｆをなくして、一方の軸方向のみに流体が流れるような流路であってもよい。また、流体を軸方向に流すのではなく、径方向に旋回しながら流れる螺旋状の流路としてもよい。

このように、本実施形態によれば、真空冷却庫２からの流体が流れる真空配管３ａの外周側に冷媒配管３ｂを配置することで、換言すれば、冷媒配管３ｂの周囲に流体が部分的に存在するようにすることで、冷媒配管３ｂの周囲に流体がくまなく存在するような状況を避けることができる。これにより、腐食や衝撃によって冷媒配管３ｂ（陽圧）から冷媒が漏れ出したとしても、真空配管３ａ（負圧）に直ちに流入する可能性を低減できるので、真空冷却庫２の内部に収容された食材などの冷却対象物の汚染を有効に抑制できる。

特に、真空配管３ａとは別部材として冷媒配管３ｂを組み付ける場合、真空配管３ａおよび冷媒配管３ｂの双方の管壁によって、冷媒および流体が多重に仕切られるので、氷成長等による冷媒配管３ｂの破損を防止でき、冷却対象物の汚染をより有効に抑制できる。

また、本実施形態によれば、熱交換器３の構成として、略円筒状の真空配管３ａの外周に冷媒配管３ｂをコイル状に巻回した外巻コイル型を採用することで、真空配管３ａの流路の断面積（流路径）を広く確保できる。一般に、冷媒として用いられるフロンなどは沸点が低く、凝縮した水分が凍結して熱交換器３内で成長するため、伝熱効率の低下や、真空配管３ａの断面積の低下を招くことが懸念される。本実施形態に係る熱交換器３を採用すれば、熱交換器３の内部で氷が生成されても、真空配管３ａには十分な断面積が残り、また、隔壁に垂直に付着した氷が底部側に落下し易いので、氷の成長を有効に阻害することができる。

なお、上述した実施形態では、真空配管３ａの外周側に、これとは別部材化された冷媒流路（冷媒配管３ｂ）を組み付けた熱交換器３について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、真空配管３ａの一部が冷媒流路の構成要素として共用されていてもよい。図４は、冷媒配管３ｂの別の一例を示す要部断面図である。真空配管３ａの周囲には、真空配管３ａの外周の曲率沿って湾曲したカバー体３ｇが取り付けられている。このカバー体３ｇは、流路に相当する部位が隆起して周方向に延在していると共に、上下の隆起部分は軸方向で繋がっている。真空配管３ａの外周に図示しないシール材や溶接等によりカバー体３ｇを密着させると、真空配管３ａの外周面と、カバー体３ｇの内面とによって形成された空間が冷媒流路となる。

また、上述した実施形態では、真空配管３ａの外周側に冷媒配管３ｂを配置する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、真空配管３ａの内周側に冷媒配管３ｂを配置してもよい。例えば、図２の構成において、真空配管３ａの形状を中心軸に沿った空間を有する略円筒状（中空円筒形状）とし、この空間内に、真空配管３ａと接するように冷媒配管３ｂを配置するといった如くである。この場合であっても、冷媒配管３ｂの周囲に流体がくまなく存在するような状況を避けることができるので、冷却対象物の汚染を抑制できる。ただし、熱交換効率や装置の生産性などの観点でいえば、真空配管３ａの外周側に冷媒配管３ｂを配置する方が有利である。

１ 真空冷却機
２ 真空冷却庫
３ 熱交換器
３ａ 真空配管
３ｂ 冷媒配管
３ｃ 流入口
３ｄ 排出口
３ｅ 凝縮水排出口
３ｆ 区分板
３ｇ カバー体
４ 真空ポンプ
５ 冷媒循環系
５ａ 冷凍機
５ｂ 膨張弁
６ａ〜６ｄ 配管
７ 真空制御装置
８ 逆止弁
９，１１ 自動弁
１０ 流量制御弁

Claims (9)

1. 真空冷却機用の熱交換器において、
   冷却対象物が収容される真空冷却庫に接続される流入口と、
   真空ポンプに接続される排出口と、
   前記流入口から流入した流体を前記排出口に導く流路が形成された略円筒状の真空配管と、
   前記真空配管の外周側および内周側のいずれか一方に配置されていると共に、前記真空配管との間に存在する隔壁を介して、前記真空配管内を流れる流体を、自己内を流れる冷媒との熱交換によって冷却する冷媒流路と
   を有することを特徴とする真空冷却機用の熱交換器。
2. 前記隔壁は、前記真空配管の管壁と、前記真空配管とは別部材として組み付けられた前記冷媒流路の管壁とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載された真空冷却機用の熱交換器。
3. 前記冷媒流路は、前記真空配管の外周にコイル状に巻回されていることを特徴とする請求項２に記載された真空冷却機用の熱交換器。
4. 前記流体に含まれる水分が凝縮して、前記真空配管内に貯留される凝縮水を外部に排出する凝縮水排出口をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された真空冷却機用の熱交換器。
5. 前記真空配管の流路の断面積は、前記冷媒流路の流路の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載された真空冷却機用の熱交換器。
6. 真空冷却機において、
   冷却対象物が収容される真空冷却庫と、
   冷媒循環系を循環する冷媒との熱交換によって、前記真空冷却庫より流入した流体を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器によって冷却された流体を外部に排出する真空ポンプとを有し、
   前記熱交換器は、
   前記真空冷却庫に接続された流入口と、
   前記真空ポンプに接続された排出口と、
   前記流入口から流入した流体を前記排出口に導く流路が形成された略円筒状の真空配管と、
   前記真空配管の外周側および内周側のいずれか一方に配置されていると共に、前記真空配管との間に存在する隔壁を介して、前記真空配管内を流れる流体を、自己内を流れる冷媒との熱交換によって冷却する冷媒流路と
   を有することを特徴とする真空冷却機。
7. 前記隔壁は、前記真空配管の管壁と、前記真空配管とは別部材として組み付けられた前記冷媒流路の管壁とで構成されていることを特徴とする請求項６に記載された真空冷却機。
8. 前記熱交換器に取り付けられ、前記流体に含まれる水分が凝縮して前記真空配管内に貯留される凝縮水を外部に排出する凝縮水排出系をさらに有することを特徴とする請求項６または７に記載された真空冷却機。
9. 前記冷媒は、フロンまたは自然冷媒であることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載された真空冷却機。
   
   

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