JP2022068386A

JP2022068386A - 調圧・バイパス制御ユニット

Info

Publication number: JP2022068386A
Application number: JP2019046767A
Authority: JP
Inventors: 正憲藤島; Masanori Fujishima
Original assignee: Hikari Corp
Current assignee: Hikari Corp
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2022-05-10

Abstract

【課題】ヒートポンプ式液体急速凍結装置に組込むだけで、潤滑のオイル切れを起こすことなく、冷凍設備の不凍液を－４０℃以下の超低温度域まで冷却できる調圧・バイパス制御ユニットを提供する。【解決手段】蒸発器の入口に接続される第１ポート、蒸発器の出口に接続される第２ポート、凝集器の入口に接続される第３ポート、凝集器の出口に接続される第４ポート、圧縮機の吸引口に圧接続される第５ポート、圧縮機の吐出口に接続される第６ポート、第１ポートと第５ポートとの間に圧力調整弁を介して接続する第１の経路、第３ポートと第６ポートを接続する第２経路の接続点、第２ポートと第４ポートを接続する第３経路、第２経路と第３経路とを第１、第２の制御弁を介在させて接続した第１のバイパス路とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式の急速液体凍結装置に組み込んで使用される、新規な構成の調圧・バイパス制御ユニットに関する。

コンプレッサーを用いて冷媒ガスを循環させて熱交換させるヒートポンプは、空調や冷凍などに広く使用されているが、この種のヒートポンプでは、冷媒ガスに潤滑油を含有させて、コンプレッサーの潤滑と気密性を確保している。
また、近時にあっては、このようなヒートポンプがアルコールなどの冷媒を用いた急速液体凍結装置にも使用されており、特許文献１には、コンプレッサーを用いたヒートポンプを組み込んだ急速液体凍結機が提案されているが、食材などを不凍液に浸漬させ、ジェットスクリューポンプによって噴流攪拌することによって均一に凍結させる構成となっている。

特公平７－２８７１０号公報

しかしながら、この種のヒートポンプを急速液体凍結装置に使用して、蒸発器による冷却効果を高めるためには、コンプレッサーを高速運転する必要があり、コンプレッサーを高速運転すれば、蒸発器を－４０℃以下の超低温度域まで冷却することは原理的には可能であるが、そのために蒸発器からコンプレッサーに吸引される冷媒ガスが希薄となって圧力が著しく低下する。その結果、コンプレッサーに十分な潤滑油が戻らなくなって、いわゆるオイル切れ現象が生じ、潤滑と気密性が確保できずに破損してしまうという問題があった。
したがって、通常の汎用タイプのコンプレッサーを用いた急速液体凍結設備では、－４０℃以下の超低温度域まで冷凍させることは実際には不可能とされていた。

これに対して本発明は、汎用のコンプレッサーを用いたヒートポンプを用いて、急速凍結させる急速液体凍結装置に部品として組み込んで使用すれば、前記のようなオイル切れの問題がなく、－４０℃以下の超低温度域まで冷却し急速凍結できるように機能アップさせることを目的としている。

したがって、本発明は、冷媒の循環路として蒸発器と圧縮機と凝集器とが管路によって接続されているヒートポンプに簡単に組み込んだ使用される、調圧・バイパス制御ユニットを提供するものである。

本発明によれば、調圧・バイパス制御ユニットは、ヒートポンプの目標性能に合わせて、種々のタイプのものを準備しておけば、第１～第６のポートに対して、蒸発器、圧縮機、凝集器を適宜選択して接続することによって、オイル切れの問題がなく、－４０℃以下の超低温度域まで冷却できるヒートポンプ式液体凍結装置が簡単に製造できる。

本発明を適用したヒートポンプ式急速凍結装置の基本構成図である。本発明を適用したヒートポンプ式急速凍結装置の他例の基本構成図である。本発明の調圧・バイパス制御ユニットの構成図である。

図１は、本発明を適用したヒートポンプ式急速凍結装置の基本構成図である。
急速液体凍結装置は、ヒートポンプＡと、ヒートポンプＡの一部を構成する調圧・バイパス制御ユニットＢ、及びこれに接続された凍結槽Ｃとで構成されている。
なお、調圧・バイパス制御ユニットＢの詳細は後述する。

ヒートポンプＡは、冷媒の循環路として、蒸発器１と圧縮機２と凝集器３とが調圧・バイパス制御ユニットＣに接続されており、調圧・バイパス制御ユニットＣは、対応したポートを有しており、それぞれのポートが蒸発器１、圧縮機２、凝集器３に着脱可能に接続されている。ヒートポンプの冷媒を流通させる管路及びバイパス路は、銅、スチール或いはアルミ等の金属管又は樹脂管で構成されている。

調圧・バイパス制御ユニットＣは、金属製のケーシングで構成された制御ユニットとして組み込まれ、蒸発器１の入口に接続される第１ポートＰ１、蒸発器１の出口に接続される第２ポートＰ２、凝集器３の入口に接続される第３ポートＰ３、凝集器３の出口に接続される第４ポートＰ４、圧縮機２の吸引口に接続される第５ポートＰ５、圧縮機２の吐出口に接続される第６ポートＰ６を備えており、第１ポートＰ１と第５ポートＰ５とは第１経路１４（１）を通じて接続され、第１経路１４（１）には圧力調節弁１６が介装され、第３ポートＰ３と第６ポートＰ６とは第２経路１４（２）を通じて接続され、更に第２ポートＰ２と第４ポートＰ４とは第３経路１４（３）を通じて接続されている。また、第２経路１４（２）と第３経路１４（３）とは第１、第２の制御弁２１，２２を介在させた第１のバイパス路１５（１）を通じて接続され、第１の経路１４（１）と第１のバイパス路１５（２）とは、圧力調節弁１６の出口と第１、第２の制御弁の接続点との間に第３の制御弁２３が接続されている。図３では、第１の制御弁２１は電磁弁、第２、第３の制御弁２２，２３は二方弁とが使用されているが、これに限定されるものではない。また合流器２０は、第３の経路１４（３）を通じて凝集器２から送られて来た冷媒と、第１のバイパス路１５（１）からバイパスして送られて来た冷媒を合流させて、蒸発器１に送り込むものである。
圧力調節弁１６は、機械式のものを想定しているが、電磁弁等を用いて、図示しないコンピュータによる制御によって所定時間毎に開動作させるようにしてもよい。
また電磁弁２１は、第１のバイパス路１５（１）を通過する冷媒の通過量を調節するための弁であって、コンピュータなどの図示しない制御手段によって開弁率等が制御される。
第２、第３の制御弁２２，２３は第１のバイパス路１５（１）からバイパスして来た冷媒の接続先を選択するための開閉弁である。
蒸発器１の入口側、圧縮機２の入口側には圧力センサー２３ａ、２３ｂが設けられ、それぞれ吸引圧を検知している。

蒸発器１は、基本的には銅、スチール或いはアルミ等の金属管で形成され、金属管の壁面を介してその内側の冷媒と外側の気体又は液体とが熱交換できるように構成されている。
圧縮機２は、気体状態の冷媒を圧縮するコンプレッサーで構成され、その駆動用に図示しないモーター等の動力源を備えている。圧縮機２の種別に特段の制限はなく、ターボ型、スクリュー型、レスプロ型等を汎用型のもの用いることができるが、冷媒の種別に応じた圧縮圧を得るため圧縮機２を多段構成にすることも可能である。
凝集器３は、基本的には銅、スチール或いはアルミ等の金属管で形成されており、金属管の壁面を介してその内部の冷媒と外部の空気とが熱交換できるように構成されている。凝集器３には複数のフィン３ａが固着されており、フィンに空気を送るためのブロアー３ｂが付設されている。凝集器３は、冷凍庫外の開放空間、あるいは凍結装置外の開放空間に配置されて、外気に対して放熱する作用をなす。

凝集器３の出口と調圧・バイパス制御ユニットＣとの中間部には、乾燥フィルター１７と、電磁弁１８と、膨張弁１９とが設けられている。
乾燥フィルター１７は、冷媒に混じっている異物、水分等を捕集するフィルターである。
電磁弁１８は、管路１４における冷媒の全体的な通過量を調節するための弁であって、図示しない制御手段によって開弁率等が制御される。
膨張弁１９は、開度調節可能な電磁弁又は機械弁であって、図示しない制御手段によって開度等が制御され、当該部分にオリフィスを形成する。
一方、凍結槽３は、スレンレス等の金属と発泡スチロール等の断熱材とから構成された水密な槽であり、これには、凍結対象物を漬けるために、エチルアルコール等を主成分とする不凍液３２が満たされている。

上記のように、本発明による調圧・バイパス制御ユニットＢによれば、設計すべきヒートポンプの目標性能に合わせたものを準備することで、第１～第６のポートＰ１～Ｐ６に、蒸発器、圧縮機、凝集器を適宜選択して接続することによって、設計目的に応じたヒートポンプが簡単に得られる。

次いでヒートポンプＡの基本動作を説明する。冷媒としてはＲ－４０４Ａ又はＲ－４１０Ａを想定している。
圧縮機２及びブロアー３ｂを作用させると、次のような動作が連続的になされる。なお蒸発器１によって冷却されるべき気体又は液体は特に制限されない。
蒸発器１から圧縮機２に送られて来た気体状態の冷媒は、圧縮機２で圧縮されると、高温高圧な状態になって凝集器３に送られる。凝集器３では内側の冷媒と外側の空気との熱交換が行われ、冷やされた冷媒は凝集して高圧な液体状態になる。そして、この高圧な液体状態の冷媒は、膨張弁１９を通過したときに圧力損失を受け、蒸発器１の中で断熱膨張して低温低圧な気体状態になる。このとき蒸発器１の内側の冷媒と外側の気体又は液体との熱交換によって不凍液３２は冷却され、蒸発器１から排出された低温低圧な気体状態の冷媒は圧縮機２に吸引される。ヒートポンプＡの基本能力は、圧縮機２の回転数、制御弁１８の開弁率等によって調節できる。

ところで圧縮機２は、圧縮のために容積変化する作動室（図示なし）を備えており、その作動室はオイルによって潤滑され気密維持されているが、このオイルは圧縮された冷媒に混じって圧縮機２から徐々に排出され、通常は、排出されたオイル分は、冷媒が圧縮機２によって再吸引されたときに戻ってくるので、圧縮機２のオイルは一定量に保たれて不具合を生じない。

しかしながら、圧縮機２を高速で連続運転して、蒸発器１の周囲の気体又は液体を非常な低温まで（摂氏マイナス４０度以下）冷やそうとすると、蒸発器１から排出される冷媒の圧力が低くなり、過剰に希薄化してしまう。その結果、オイルが圧縮機２に戻ってこず、最終的にはオイル切れが起きるという問題があった。
例えば冷媒としてＲ－４０４Ａを用いた場合、蒸発器１における冷媒の温度を摂氏マイナス４５～４６度にすることは原理的に可能であるが、そのとき冷媒の圧力は９９．３１ｋＰａになるので、汎用の圧縮機２はオイル切れのため作動不能になってしまう。

ところが本発明の圧力・バイパス制御手段Ｂを組込んだヒートポンプによれば、圧力・バイパス制御手段Ｂ内部に設けた圧力調節弁１６は、蒸発器１から排出されてくる冷媒の圧力が低下すると閉じて、冷媒を一旦堰き止め、その冷媒の圧力が所定以上になった時点で放出するという動作をなすので、冷媒の圧力は、更にそれ以上低下することは回避され、オイル切れが防止できる。この場合、蒸発器１における冷媒の圧力は圧力調節弁１６の開閉弁に合わせて上下動を繰り返すことになるが、この冷媒の圧力が低くなっているときは、冷媒の温度が極めて低くなるときであり、強い吸熱が行われ、これによって冷媒のＲ－４０４Ａが摂氏マイナス４５～４６度に冷却できることになる。

また例えば冷媒としてＲ－４１０Ａを用いた場合、蒸発器１における冷媒の温度を摂氏マイナス５５～５６度にすると、冷媒の圧力は８０．４６ｋＰａになるので、前記のような圧力調節弁１６の作用だけでは圧縮機２のオイル切れを防止することは難しい。
しかしながら、この問題は、圧力・バイパス調節制御手段Ｂによって解決される。
すなわち、前記した圧力調節弁１６を閉じても、急激な圧力低下が解消しないときには、二方弁２２を閉じ、制御弁２３を開き、電磁弁２１を開けば圧縮機２から排出した高温高圧な気体状態の冷媒を、直接圧縮機２に供給することができ、これによって蒸発器１から排出される冷媒の圧力低下が更に補完される。
また、二方弁２２を開き、制御弁２３を閉じ、電磁弁２１を開けば、圧縮機２から排出した高温高圧な気体状態の冷媒を、蒸発器１に送り込むことができ、これによっても蒸発器１による急速冷却を緩やかに制御することも可能となる。
これらの圧力調節弁１６、第１、第２のバイパス路１５（１）、１５（２）に設けた電磁弁２１、第１、第２の制御弁２２、２３は、圧力センサー２４ａ、２４ｂからの信号に基づいて、コンピュータに実装したプログラムに従って行われ、結果としてオイル切れを生じることなく、蒸発器１は冷却される。また、コンピュータで制御を実行せずに、圧力センサーの検知信号に基づいて、電磁弁２１や制御弁２３，２４の開閉を制御してもよい。

本発明では、調圧・バイパス制御ユニットＢを組み込むことで、汎用の圧縮機を用いた構成であっても、このような制御が可能となり、オイル切れが防止でき、極低温度領域の凍結が可能となる。また、既存の装置に部品として取り換えるだけでよいので、製造コストも安価にできる。

図２は、本発明を適用したヒートポンプ式急速凍結装置の他例の基本構成図である。急速凍結装置は、ヒートポンプＡと、これに接続された収納庫Ｄとで構成されている。収納庫Ｄは、天井面、床面及び壁面が断熱壁で構成された筐体であって、開閉自在な扉を有し（図示なし）、外気と同様の空気によって満たされている。この急速凍結装置は、ヒートポンプによって冷却された冷風で被凍結物を凍結させるブラスト式凍結装置である。図１に共通する要素には同一の参照符号を付けている。

蒸発器１は、基本的には銅、スチール或いはアルミ等の金属管で形成されており、金属管の壁面を介してその内部の冷媒と、冷凍庫４１内の空気とが熱交換できるようになっている。更に蒸発器１には複数のフィン１ａが固着されており、フィン１ａに空気を送るためのブロアー１ｂが付設されている。空気は、フィン１ａの間隙を通過している間に熱交換によって冷却されて冷気になる。この冷気によって被冷凍物を急速に凍結させる。

特にこの例では、調圧・バイパス制御ユニットＢに対して、収納庫Ｄに適したサイズの蒸発器を選択して接続することで、必要な風量の冷風が容易に得られるようになる。

１蒸発器
２圧縮機
３凝集器
１４（１）～１４（３）第１、第２、第３の経路
１５（１）、１５（２）第１、第２のバイパス路
１６圧力調節弁
４１冷凍庫
Ａヒートポンプ
Ｂバイパス・調圧制御ユニット
Ｃ凍結槽
Ｄ収納庫
Ｐ１～Ｐ６第１～第６ポート

Claims

ヒートポンプ式液体急速凍結装置に組込んで使用される調圧・バイパス制御ユニットであって、
蒸発器の入口に接続される第１ポート、蒸発器の出口に接続される第２ポート、凝集器の入口に接続される第３ポート、凝集器の出口に接続される第４ポート、圧縮機の吸引口に接続される第５ポート、圧縮機の吐出口に接続される第６ポート、第１ポートと第５ポートとの間に圧力調整弁を介して接続する第１の経路、第３ポートと第６ポートを接続する第２経路、第２ポートと第４ポートを接続する第３経路、第２経路と第３経路とを第１、第２の制御弁を介在させて接続する第１のバイパス路とを備えていることを特徴とする調圧・バイパス制御ユニット。
請求項１において、
前記第１経路であって、前記圧力調節弁の出口側と、前記第１バイパス路であって、前記第１のバイパス路の前記第１、第２の制御弁との間を、第３の制御弁を介在させて接続する第２のバイパス路を備えている、調圧・バイパス制御ユニット。
請求項１または２において、
前記圧力調節弁は、前記圧縮機の吸引口側に設けた圧力センサ－に応じて、開閉制御することを特徴する調圧・バイパス制御ユニット。
請求項１または２において、
前記圧力調節弁は、コンピュータが、予め設定された凍結温度に応じて準備されたプログラムを実行して、開閉制御することを特徴する調圧・バイパス制御ユニット。
請求項１～４のいずれかにおいて、
前記調圧・バイパス制御ユニットは、前記第１ポート～第６のポートを、ワンタッチ式挿脱具によって、蒸発器、凝縮器、圧縮機に着脱可能に接続する構造にしている、調圧・バイパス制御ユニット。