JP3862070B2

JP3862070B2 - 空気サイクル式冷却装置

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Publication number: JP3862070B2
Application number: JP2002088412A
Authority: JP
Inventors: 和夫古川; 良克高橋
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: JP2003287298A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、要冷却室の空気を冷媒として冷却装置内に取り入れ、冷却装置で冷却された空気を要冷却室に直接吹き出すようにした空気サイクル式冷却装置に係り、特に、空気に含まれる水分から生成される雪や霜などの弊害を軽減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気サイクル式冷却装置は、要冷却室の空気を冷媒として冷却装置内に取り入れ、この空気を圧縮した後に断熱膨張させたときの顕熱を利用して温度降下させ、この冷却空気を要冷却室に直接吹き出すようにしている。このような空気サイクル式冷却装置では、圧縮空気を断熱膨張させるときに空気に含まれる水分が微細な氷片に相変化（以下、このような生成物を「雪状物」、これの生成を「雪化」という）し、この雪状物が低温空気経路の管内で堆積成長して圧損を高め、場合によっては経路閉塞を起こして凍結トラブルに至るという問題がある。
【０００３】
上記のような空気中の水分の雪化による弊害を軽減することができる空気サイクル式冷却装置として、例えば特開平１１−１３２５８２号に開示された技術が知られている。この技術では、冷却空気が流通する経路の要冷却室の手前に、内部にメッシュフィルタを配置した着氷器を設け、断熱膨張により生成された雪化物をメッシュフィルタで捕捉するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、空気サイクル式冷却装置は長時間に亘って連続運転されるから、上記のような技術ではメッシュフィルタの目詰まりを防止することが必須となる。すなわち、メッシュフィルタの網に付着した雪状物は次第に成長し、実質的なメッシュの大きさを小さくして圧力損失の原因となるからである。上記技術では、ループ状としたメッシュフィルタを一対のロール間に巻回し、このメッシュベルトを空気通路に対して横切るように配置するとともに、メッシュベルトの表面に堆積する雪状物をループの端部でブラシ等で掻き落とすようにしている。
【０００５】
しかしながら、上記のような技術では、着氷器の構成が複雑かつ大型化するとともに、冷却装置の各構成要素に加えて着氷器も重要な保守点検対象となり、設備コストおよびランニングコストの増大は避けることができない。
したがって、本発明は、生成した雪状物を効果的に捕捉することができるのは勿論のこと、構成が簡単で設備コストおよびランニングコストを低減することができる空気サイクル式冷却装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の空気サイクル式冷却装置は、要冷却室内の空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮した空気を冷却する冷却手段と、冷却された空気を膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、膨張手段と要冷却室との間の空気経路に、内部に平面状のメッシュフィルタを配置した捕雪手段を介装し、メッシュフィルタを、冷却空気が流れる方向の上流側へ向け前傾させて配置し、要冷却室を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第１バイパス経路を設け、膨張手段を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第２バイパス経路を設け、デフロスト時に第１バイパス経路および第２バイパス経路を通じて循環する空気を加熱する加熱手段を設けたことを特徴としている。
【０００７】
上記構成の空気サイクル式冷却装置にあっては、圧縮した空気を膨張手段によって膨張させるときに生じた雪状物は、捕雪手段のメッシュフィルタに捕捉され、メッシュフィルタの網に付着した雪状物は次第に成長する。上記構成の空気サイクル式冷却装置では、メッシュフィルタを冷却空気が流れる方向の上流側へ向け前傾させて配置しているから、成長した雪状物はその自重により落下する。したがって、上記従来技術のような可動構造を必要とせず、構成が簡単で小型化が可能であり、設備コストを低減することができる。また、構成が簡単なため、保守点検の労力および費用も低減することができる。なお、本発明者等の検討によれば、メッシュフィルタの前傾角度は１５度以上であることが望ましい。
【０００８】
次に、本発明者等は、メッシュフィルタに作用する風圧とメッシュフィルタに付着した雪状物の自重落下とを調査した。その結果、風圧を十分に弱くすると、メッシュフィルタが上記のように前傾していなくても、つまり、メッシュフィルタの平面が略鉛直方向に沿うように配置されていても雪状物が自然落下することを見い出した。
【０００９】
本発明の第２の空気サイクル式冷却装置は、上記知見に基づいてなされたもので、要冷却室内の空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮した上記空気を冷却する冷却手段と、冷却された空気を膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、膨張手段と要冷却室との間の空気経路に、内部に平面状のメッシュフィルタを配置した捕雪手段を介装し、メッシュフィルタを、その平面が略鉛直方向に沿うように配置するとともに、冷却空気がメッシュフィルタを通過する際の風圧を、初期状態で５〜２０ｍｍＨ_２Ｏ、かつ着雪状態で１００ｍｍＨ_２Ｏ以下としたことを特徴としている。そして、このような空気サイクル式冷却装置によっても上記と同様の作用、効果を得ることができる。
【００１０】
雪状物が付着していない初期状態におけるメッシュフィルタに作用する風圧が２０ｍｍＨ_２Ｏを超える場合や、雪状物が付着した着雪状態におけるメッシュフィルタに作用する風圧が１００ｍｍＨ_２Ｏを超える場合には、付着した雪状物が自重で自然落下し難くくなる。メッシュフィルタに作用する風圧は弱ければ弱いほど雪状物は落下し易くなるが、そのためにはメッシュフィルタの面積を大きくしなければならない。メッシュフィルタの表面積は、装置サイズや設備コストを考慮すると冷凍トン（ＵＳＲＴ）当たり２ｍ^２が限界と考えられる。一方、一般的な空気サイクル式冷却装置の風量は冷凍トン（ＵＳＲＴ）当たり６〜８ｍ^３／ｍｉｎであることから、風圧の下限値を初期状態で５ｍｍＨ_２Ｏとした。
【００１１】
ところで、冷凍室のような要冷却室の扉が開放されることにより、湿気を含む常温の外気が要冷却室内に流入する。このとき、流入した空気は急激に冷却され、空気に含まれる水蒸気が雪化する。このようにして生成された雪状物は、要冷却室から流出する空気に随伴して熱交換器やこれに至る空気経路に堆積する。そして、これにより、圧力損失の発生や経路閉塞といった凍結トラブルにつながる。
【００１２】
本発明の第３の空気サイクル式冷却装置は、上記のような要冷却室での雪化に起因する問題を解決するものであり、要冷却室内の空気を取り入れる熱交換器と、この熱交換器で昇温させられた空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮された上記空気が上記熱交換器で冷却された後にその空気を取り入れて膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、要冷却室と熱交換器との間の空気経路に、内部に平面状のメッシュフィルタを配置した捕雪手段を介装し、メッシュフィルタを、空気が流れる方向の上流側へ向け前傾させて配置し、要冷却室を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第１バイパス経路を設け、膨張手段を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第２バイパス経路を設け、デフロスト時に第１バイパス経路および第２バイパス経路を通じて循環する空気を加熱する加熱手段を設けたことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第４の空気サイクル式冷却装置も要冷却室での雪化に起因する問題を解決するものであり、要冷却室内の空気を取り入れる熱交換器と、この熱交換器で昇温させられた空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮された空気が熱交換器で冷却された後にその空気を取り入れて膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、要冷却室と熱交換器との間の空気経路に、内部に平面状のメッシュフィルタを配置した捕雪手段を介装し、メッシュフィルタを、その平面が略鉛直方向に沿うように配置するとともに、空気がメッシュフィルタを通過する際の風圧を、初期状態で５〜２０ｍｍＨ_２Ｏ、かつ着雪状態で１００ｍｍＨ_２Ｏ以下としたことを特徴としている。
【００１４】
本発明の第３および第４の空気サイクル式冷却装置によれば、要冷却室から空気経路に流入した空気に随伴する雪状物は、捕雪手段のメッシュフィルタに捕捉されるので、雪状物の熱交換器やそれに至る空気経路への堆積を未然に防止することができる。そして、メッシュフィルタの網に付着した雪状物は次第に成長し、その自重によって自然に落下するので、雪状物を掻き落とすための可動構造を必要としない。なお、第３の空気サイクル式冷却装置においても、メッシュフィルタの前傾角度は１５度以上であることが望ましい。
【００１５】
また、本発明の第５の空気サイクル式冷却装置も要冷却室での雪化に起因する問題を解決するものであり、要冷却室内の空気を同要冷却室に設けた排気口から取り入れる熱交換器と、この熱交換器で昇温させられた空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮された空気が熱交換器で冷却された後にその空気を取り入れて膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、排気口にメッシュフィルタを設け、要冷却室を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第１バイパス経路を設け、膨張手段を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第２バイパス経路を設け、デフロスト時に第１バイパス経路および第２バイパス経路を通じて循環する空気を加熱する加熱手段を設けたことを特徴としている。
【００１６】
上記構成の空気サイクル式冷却装置にあっては、要冷却室内の空気が排出口から空気経路に流入する際に、空気に随伴する雪状物がメッシュフィルタに捕捉されるので、雪状物の熱交換器等への堆積を未然に防止することができる。また、要冷却室内には、後述するデフロスト時に温風が流通せず常時低温に保たれるので、メッシュフィルタに付着した雪状物は粘度の小さいさらさらの状態である。したがって、捕雪手段のメッシュフィルタと比べて雪状物が自然落下し易い。そして、そのような雪質であるから、メッシュフィルタの目に雪状物が詰まっていたとしても、冷却運転を再開した後にそこへさらに付着した雪状物とともに落下するので、放置しても差し支えない。したがって、この場合のメッシュフィルタは、その平面が略鉛直方向に沿うように配置しても差し支えなく、また、メッシュフィルタを通過する空気の風圧を考慮する必要もない。また、要冷却室には人が常時出入りするから、メッシュフィルタに堆積した雪状物を適当な器具を用いて強制的に掻き落とすこともできる。この場合の器具としては、メッシュフィルタの表面形状に合わせたプレートを用いると便利である。なお、メッシュフィルタの下側にトレイや台車を配置しておき、雪状物が溜まったらトレイや台車ごと外部に搬出して中身を廃棄することができる。
【００１７】
前述の捕雪手段は、内側を冷却空気が通過し、外側が外気にさらされるから、一般には断熱材で壁部を構成する必要がある。この点、上記第５の発明では、メッシュフィルタが要冷却室に配置されるから、そのような断熱構造は不要である。したがって、メッシュフィルタは、排気口にこれを覆うようにそのまま設けることができるので、メッシュフィルタを支持するフレーム等の構造も不要となる。
【００１８】
ここで、メッシュフィルタは、上下方向に沿う折目線に沿ってつづれ折り（ジグザグ）にすると好適である。これにより、メッシュフィルタの表面積が大きくなり、メッシュフィルタを通過する空気の風圧を小さくして雪状物の自重による自然落下を促進することができる。換言すれば、メッシュフィルタの投影面積を小さくすることができるので、捕雪器を小型化することができる。
【００１９】
以上のとおり、本発明の第１および第２の空気サイクル式冷却装置は、空気経路のうち要冷却室に供給する冷却空気が流通する往路にメッシュフィルタを設けたものであり、第３〜第５の空気サイクル式冷却装置は、要冷却室内の空気が冷却系に戻る復路にメッシュフィルタを設けたものである。一般には、空気経路の往路と復路に１ケ所づつメッシュフィルタを設ければ足りるので、本発明を適用するにあたっては、第１また第２の空気サイクル式冷却装置の特徴と、第３〜第５の空気サイクル式冷却装置の特徴のいずれかとを組み合わせて用いれば良い。ただし、それ以外の組み合わせも可能であることは勿論である。
【００２０】
ところで、上記のような空気サイクル式冷却装置においても、ある程度の期間使用すると空気経路やメッシュフィルタ、あるいは熱交換器に雪状物が付着したまま固まってしまうことが懸念される。そこで、そのような雪状物を溶かして系外に排出（デフロスト）できるような構成にすることが望ましい。そのためには、デフロスト時に要冷却室を冷却系から切り離せるように、要冷却室に接続された空気経路どうしを開閉自在に接続するバイパス経路を設け、冷却系にヒータを設けてデフロスト時に流通させる空気を加熱する必要がある。
【００２１】
ヒータには、デフロスト時に循環する空気を加熱して温風にするためのダクトヒータと、デフロスト時にメッシュフィルタに堆積した雪状物を融かすための補助ヒータとがある。また、本発明では、メッシュフィルタから自然落下した雪状物をデフロスト時に融かす補助ヒータも備えることができる。
【００２２】
ダクトヒータは、バイパス経路の途中に配置したり、要冷却室と熱交換器との間の空気経路に介装することができ、これにより、デフロスト時に循環させる空気を昇温させて温風にすることができ、捕雪器、熱交換器および空気経路に堆積または固着した雪状物を効果的に融かすことができる。また、空気経路に直線でない部分が存在して、その部分での雪状物の固着が懸念される場合には、その部分の直ぐ上流側に補助のダクトヒータをさらに配置することも好ましい態様である。
【００２３】
補助ヒータは、メッシュフィルタの表面に近接して配置すると雪状物を効果的に融かすことができる。また、メッシュフィルタから自然落下した雪状物を堆積させる容器を配置し、この容器を加熱する補助ヒータを配置すると好適である。このように構成することにより、容器に堆積した雪状物をデフロスト時に融かし、ドレインから冷却系外に排出することができる。
【００２４】
上記のような補助ヒータは、本発明の第５の空気サイクル式冷却装置には不要である。また、メッシュフィルタから自然落下した雪状物を堆積させるための容器および容器を加熱するための補助ヒータも不要である。前述のように、自然落下した雪状物は、トレイや台車で室外に排出すれば良い。
【００２５】
なお、メッシュフィルタの表面をポリテトラフルオロエチレン等の撥水性樹脂でコーティングすると、デフロスト時に雪状物が融けて付着した水滴や、その上流側の圧縮手段から送られる空気に随伴して付着した水分を効果的に落下させることができる。また、付着した雪状物との付着力を弱めるので、雪状物が落下し易くなる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
Ａ．実施形態の構成
以下、本発明の好適な実施の形態について図１〜図６を参照して説明する。
図１は実施形態の空気サイクル式冷却装置の冷却系統を示す図である。図１において符号１は圧縮機（圧縮手段）である。圧縮機１には、その内部の翼車を回転させるためのモータ１０が接続されている。また、圧縮機１には、モータ１０を介して膨張機（膨張手段）２が接続されている。膨張機２には翼車が内蔵されている。圧縮機１の翼車の回転によって圧縮された空気は、膨張機２内に流入し、その際に翼車を回転させて断熱膨張する。また、その際の翼車の回転は、圧縮機１内の翼車の回転を補助する。圧縮機１（後述する低段圧縮機１ａも含む）および膨張機２の構成は、上記のものに限らず任意である。圧縮機１としては、往復圧縮機、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、遠心圧縮機など各種圧縮機を用いることができ、膨張機２も軸流タービン、遠心タービンその他任意のものを用いることができる。
【００２７】
図中符号３は冷却器（冷却手段）である。冷却器３は、圧縮機１により圧縮されて昇温した空気等を冷却するもので、第１冷却部３ａおよび第２冷却部３ｂおよび冷熱源３ｃとからなっている。冷却器３は、この実施形態では、冷熱源３ｃにファン３０を備え冷媒として空気を用いた空冷式のものを用いているが、冷媒として水を用いた水冷式のものや、冷媒にエチレングリコールなどの不凍液を用いたもの、あるいは、クーリングタワーなどを用いることができる。冷却器３で冷却された空気は、熱交換器（冷却手段）４に流入し、そこでさらに冷却されて膨張機２内に流入する。
【００２８】
膨張機２の下流側には捕雪器（捕雪手段）５が接続されている。捕雪器５の下流側には３方向切替弁Ｖを介して冷凍室（要冷却室）７が接続され、膨張機２によって膨張し降温した冷却空気が冷凍室７内に噴出するようになっている。なお、本発明は、冷却空気を冷凍室７内に直接供給する態様に限定されるものではなく、冷凍室７の内部に設けた配管内に冷却空気を流通させるような構成や、エチレングリコールなどのブラインを介して冷凍室７内を冷却する構成を用いることができる。冷凍室７と熱交換器４との間には捕雪器５が接続されている。冷凍室７および捕雪器５間の空気経路と、３方向切替弁Ｖとの間は第１バイパス経路８ａで接続され、第１バイパス経路８ａには、内部にダクトヒータ８０を備えた加熱器８が介装されている。加熱器８は、デフロスト時に循環する空気を昇温して温風にする。
【００２９】
熱交換器４と膨張機２とを接続する空気経路は、第２バイパス経路９ａによって捕雪器５に接続され、第２バイパス経路９ａには、開閉弁Ｖ１と、ダクトヒータ９０を備えた加熱器９がそれぞれ介装されている。この加熱器９は、デフロスト時に循環する空気を昇温して温風にする際に加熱器８の補助となるものである。なお、第２バイパス経路９ａは、膨張機２と捕雪器５とを接続する空気経路に接続することも可能である。
【００３０】
熱交換器４の下流側には低段圧縮機１ａが接続されている。低段圧縮機１ａは、モータ１０で駆動される翼車を備え、上記圧縮機１の吐出圧力よりも低い圧力まで空気を圧縮するようになっている。また、低段圧縮機１ａの下流側の空気経路は、冷却器３の第２冷却部３ｂに通され、低段圧縮機１ａにより圧縮されて昇温した空気を冷却するようになっている。第２冷却部３ｂで冷却された空気は、圧縮機１内に流入する。
【００３１】
以上は、図１の冷却系統に沿った説明であり、図１は冷却系統を各機能毎にブロック化して記載したものである。より具体的な実施形態では、加熱器８，９は、その下流側に配置された捕雪器５にそれぞれ内蔵されている。以下、図２〜６を参照して捕雪器５の詳細を説明する。なお、冷凍室７に供給する冷却空気が流通する往路に配置した捕雪器５と、冷凍室７内の空気が冷却系に戻る復路に配置した捕雪器５とでは構成が若干異なる。そこで、両者を区別して説明する必要がある場合には、捕雪器５に「往路」または「復路」を付すこととする。図２において符号５０はフィルタ組立体であり、フィルタ組立体５０は、捕雪器５の外郭を構成するチャンバ５１内に、図中右側へ１５度以上傾けて配置されている。チャンバ５１の壁部は断熱材料で構成されている。また、チャンバ５１の壁部には、入側開口５１ａ，５１ｂおよび出側開口５１ｅが設けられている。図２に示すように、フィルタ組立体５０の下側には、入側開口５１ｂとダクト５１ｃによって接続された加熱器８（または９）が配置されている。往路捕雪器５では、一方の入側開口５１ａは膨張機２に接続され、他方の入側開口５１ｂは第２バイパス経路９ａに接続されている。そして、往路捕雪器５では、通常運転時には入側開口５１ａから、デフロスト時には入側開口５１ｂからチャンバ５１内に空気が流入し、フィルタ組立体５０を通って上側の出側開口５１ｅからチャンバ５１外に流出する。一方、復路捕雪器５では、一方の入側開口５１ａは冷凍室７に接続され、他方の入側開口５１ｂは第１バイパス経路８ａに接続されている。そして、復路捕雪器５においても、通常運転時には入側開口５１ａから、デフロスト時には入側開口５１ｂからチャンバ５１内に空気が流入し、フィルタ組立体５０を通って上側の出側開口５１ｅからチャンバ５１外に流出する。
【００３２】
フィルタ組立体５０は、上下２段に構成されている。ただし、フィルタ組立体５０は、単体であってもよく、また、縦および／または横に何段何列連設したものであっても良い。図３は、フィルタ組立体５０の上側の部分５０ａを示す図である。図３において、符号５２はフレームであり、フレーム５２は、図４に示すように前後方向が開放されている。なお、フィルタ組立体５０の下側の部分５０ｂは上側の部分５０ａと同等に構成されている。このようなフィルタ組立体５０には、フィルタ積層体５３が取り付けられている。
【００３３】
図４に示すように、フィルタ積層体５３は、上から見てジグザグに折り曲げられている。図中の矢印は空気の流れる方向を示す。フィルタ積層体５３の折り曲げられた部分のうち下流側のものには、補強用のロッド５４が固定されている。また、フィルタ積層体５３の左右の縁部は、金具５５に固定されている。そして、フィルタ積層体５３は、ロッド５４および金具５５の両端部がフレーム５２に固定されることによりフレーム５２内に保持されている。
【００３４】
図５はフィルタ積層体５３の詳細を示す図である。フィルタ積層体５３は、上流側のメッシュフィルタ５３ａと、下流側の補強用メッシュ５３ｂとを重ね合わせたものである。メッシュフィルタ５３ａは、例えば＃２４９メッシュで目開き寸法が７０μｍのものが用いられている。このメッシュフィルタ５３ａの表面には、撥水性樹脂がコーティングされている。補強用メッシュ５３ｂは、メッシュフィルタ５３ａを補強するためのもので、メッシュフィルタ５３ａよりも遙かに目の粗い＃２．５メッシュ程度のものが用いられている。
【００３５】
上記構成のフィルタ組立体５０は、図２に示すように、上流側へ向け前傾した状態で枠体５６によってチャンバ５１内に支持されている。チャンバ５１の底部には、ドレインパン５７が配置され、フィルタ組立体５０から落下した雪状物を堆積するようになっている。また、後述するデフロスト時には、雪状物が融けた水がドレイン５８から排出される。
【００３６】
図６に示すように、チャンバ５１の開口には、チャンバ５１の内側向けて拡開するブッシュ５９が取り付けられている。このブッシュ５１により、空気がチャンバ５１の内外にスムーズに出入りすることができ、圧力損失が軽減される。なお、このようなテーパ状のブッシュに代えて、端部がベルの開口部のように断面弧状に拡開するブッシュを用いることができる。この場合には、ブッシュの端部はチャンバ５１の内部に突出させる。
【００３７】
図２において符号６０はデフロスト時にメッシュフィルタ５３ａを再生するための補助ヒータである。補助ヒータ６０は、矩形状をなす枠体６１の左右両側を貫通する防水棒状ヒータ６２を複数架設して構成されている。また、上記のようなフィルタ組立体５０は、冷凍室７に設けられた排気口７ａを塞ぐようにして配置され、その下側にはトレイ（図示略）が配置されている。なお、図２に示すように、ドレインパン５７の下面にヒータ６３を取り付け、ドレインパン５７に堆積した雪状物を融かすように構成することもできる。この場合には、ドレインパン５７に排水口を形成し、ドレインパン５７の下側に容器を設けてそこに水が溜まるように構成することができる。
【００３８】
Ｂ．実施形態の動作
次に、上記構成の空気サイクル式冷却装置の動作について説明する。通常の運転時には、圧縮機１および低段圧縮機１ａを駆動することにより、冷凍室７内の空気がフィルタ組立体５０および捕雪器５を通って熱交換器４に流入する。その際、冷凍室７内に浮遊する雪状物は、フィルタ組立体５０と捕雪器５のフィルタ組立体５０によって捕捉されるから、熱交換器４およびそれに至る空気経路に堆積する雪状物が低減される。
【００３９】
熱交換器４から流出した空気は、低段圧縮機１ａに流入して圧縮され、冷却器３の第２冷却部３ｂで冷却されて圧縮機１に流入する。圧縮機１で圧縮された空気は、冷却器３の第１冷却部３ａで冷却され、さらに熱交換器４で冷却されて膨張機２に流入する。膨張機２で膨張した空気は降温し、その際に雪状物を生成するが、この雪状物は捕雪器５のフィルタ組立体５０に捕捉される。このため、捕雪器５の下流側の空気経路に堆積する雪状物が低減される。また、冷凍室７内に侵入した外気に含まれる水分は雪化して雪状物となり、冷凍庫７内の空気に随伴して排気口７ａへ向かうが、その雪状物は、排気口７ａを覆うように設けられたフィルタ組立体５０によって捕捉される。
【００４０】
ここで、メッシュフィルタ５３ａの目開き寸法は７０μｍであるのに対して、雪状物の大きさは１０〜２０μｍである。このため、運転を開始した最初の段階ではある程度の雪状物はメッシュフィルタ５３ａを通過するが、メッシュフィルタ５３ａに雪状物が付着して徐々に成長すると、実質的な目開き寸法が小さくなり、ある段階から空気のみがメッシュフィルタ５３ａを通過するようになる。そして、雪状物が成長してある程度の厚さになると、雪状物は塊となって自重で自然落下し、ドレインパン５７上または冷凍室７に配置されたトレイに堆積する。この場合において、目の粗い補強用メッシュ５３ｂは下流側のみに設けられているので、雪状物の落下が妨げられるようなことがない。また、補強用のロッド５４が上流側に配置されているので、堆積した雪状物の重みでメッシュフィルタ５３ａが垂れ下がるようなことがなく、さらに、雪状物がロッドに沿って滑り易く、その自然落下を促進する。
【００４１】
次に、デフロストの運転について説明する。デフロスト時には、３方向切替弁Ｖが切り替えられ、これを通過した空気は冷凍室７ではなくて第１バイパス経路８ａ、復路捕雪器５の入側開口５１ｂを経て加熱器８に流入する。加熱器８のヒータ８０には電流が供給され、通過する空気が加熱される。また、捕雪器５のヒータ６０にも電流が供給され、フィルタ組立体５０に堆積した雪状物が融かされるとともに、通過する空気が加熱される。そして、この温風が冷却系を循環することにより、熱交換器４や捕雪器５のメッシュフィルタ５３ａおよび空気経路に堆積ないし固着した雪状物が融かされる。なお、デフロスト時には、冷却器３は停止させられる。
【００４２】
デフロスト時には開閉弁Ｖ１は開けられており、熱交換器４を通過した圧縮空気は、抵抗の大きい膨張機２を通らずに第２バイパス経路９ａ、往路捕雪器５の入側開口５１ｂを経て加熱器９に流入し、そこで加熱されて捕雪器５に流入する。一方、捕雪器５の補助ヒータ６０にも電流が供給され、フィルタ組立体５０のメッシュフィルタ５３ａに堆積した雪状物を融かす補助となる。こうして、冷凍室７を除く冷却系を加熱された空気が循環し、捕雪器５のドレインパン５７、熱交換器４、空気経路に堆積ないし固着した雪状物が融かされる。このようにして、メッシュフィルタ５３ａの融雪と乾燥が行われて再生される。なお、捕雪器５内で雪状物が融けて生じた水はドレイン５８で系外に排出され、その他の箇所で生じた水も適所に設けられたドレインで系外に排出される。また、デフロスト時には、冷却器３は停止させられる。
【００４３】
上記構成の空気サイクル式冷却装置にあっては、フィルタ組立体５０を冷却空気が流れる方向の上流側へ向け前傾させて配置しているから、成長した雪状物はその自重により落下する。したがって、捕雪器５内に可動構造を必要とせず、構成が簡単で小型化が可能であり、設備コストを低減することができる。また、構成が簡単なため、保守点検の労力および費用も低減することができる。
【００４４】
特に、上記実施形態では、メッシュフィルタ５３ａを上下方向に沿う折目線に沿ってジグザグにしているから、メッシュフィルタ５３ａの表面積が大きくなり、メッシュフィルタ５３ａを通過する空気の風圧を小さくして雪状物の自重による自然落下を促進することができる。また、冷凍室７の排気口７ａをフィルタ組立体５０で遮蔽しているので、冷凍室７内の空気が排出口７ａから空気経路に流入する際に、空気に随伴する雪状物がメッシュフィルタ５３ａに捕捉され、雪状物の熱交換器４等への堆積を未然に防止することができる。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、加熱器８に加えて加熱器９および捕雪器５の補助ヒータ６０により、デフロスト時に冷却系で循環する空気を加熱するので、冷却系内に堆積ないし固着した雪状物が温風で融かされ、それらはドレインから排出される。したがって、熱交換器４の内部等のように雪状物が固着し易い箇所のものも確実に除去することができる。また、メッシュフィルタ５３ａの目に詰まった雪状物が、近接した補助ヒータ６０によって速やかに融かされるので、デフロストの効率が高く、冷却運転の稼働率を高めることができる。また、上記実施形態では、捕雪器５の内部に加熱器８（９）を配置しているので、加熱した空気が直ぐに雪状物に接触するので熱効率が良く、しかも、加熱器８（９）の輻射熱も融雪に利用できるという利点がある。さらに、通常運転時には、捕雪器５の開口５１ａ（ヒータなし）が使用されるので、圧力損出の低下が防止される。加えて、図２の二点鎖線で示すように、ドレインパン５７をヒータ６３で加熱するように構成すれば、デフロストの効率をさらに向上させることができる。なお、本実施形態では要冷却室を冷凍室７として構成したが、冷凍を目的としない室であっても良い。
【００４６】
なお、上記実施形態では、加熱器８（９）を捕雪器５に内蔵したものであるが、図７に示すように、加熱器８（９）を内蔵しない構成とすることもできる。この場合には、加熱器８（９）は、図１の系統図のとおり外部の空気経路に介装される。また、図７に示すように、２つの出側開口５１ｅを互いの軸線が直交するように配置し、これら出側開口５１ｅのいずれかをダンパ弁５１で選択的に閉塞するようにして３方向切替弁Ｖを構成している。なお、図中符号５１ｂは、ダンパ弁５１ｄを回動させるモータである。このような構成では、捕雪器５の壁部を利用して３方向切替弁Ｖを構成しているので、部材が有効利用されて材料費や加工費を低減することができるという利点がある。
【００４７】
なお、図７に示す捕雪器５は、下流側に３方向切替弁Ｖを設けているため往路用に構成されているが、３方向切替弁Ｖを上流側に設ければ、つまり、入側開口５１ａを２つ設けていずれかを閉塞するように構成すれば、復路捕雪器５として用いることができる。もちろん、この場合には、往路捕雪器５には３方向切替弁Ｖは不要となる。
【００４８】
【実施例】
一般に、粉体業界において浮遊粉体をフィルターで捕集する場合には、フィルターの通過風速を０．１〜０．３ｍ／秒とし、捕集する粉体よりも多少大きめの目開きのフィルターを用いるのが通常である。この点に鑑み、通過風速を０．２ｍ／秒とし、雪状物の粒径が１０〜２０μｍであるのに対して目開きが３０〜１００μｍのフィルターを用いて実験を行ったところ、目開きは７０μｍ程度が捕雪の限界であることが判明した。圧力損失の面からは目開きは大きい方が有利であり、また、フィルター表面積（線が占める面積）を小さくするためには、開口率が大きい程有利であるため、目開きが７０μｍ程度で、かつ、強度的に問題ない範囲で線径の細い＃２４９メッシュのフィルタを用いた。このメッシュフィルタでは、目開き寸法が０．０７２ｍｍ、線径が０．０３ｍｍ（開口率：４９．８％）であり、従来、捕雪用に用いていた＃２００メッシュのフィルターと比較すると、開口率が２０％増加している。
【００４９】
上記メッシュフィルタを空気の流れの上流側へ向けて１５度以上前傾させて上記風速で実機試験を行ったところ、雪状物が２５〜３５ｍｍの厚さに堆積したときに、雪状物が塊となって剥がれ落ちることを確認した。このときのメッシュフィルタの圧力損失は、メッシュフィルタ自体の初期圧力損失５ｍｍＨ_２Ｏに対して６０ｍｍＨ_２Ｏの増加であり、冷凍装置の運転には全く支障のないレベルであった。なお、メッシュフィルタの前傾角度やジグザグの形状は、上記圧力損失以内を維持できるように設定すれば良い。また、メッシュフィルタを支持するフレームの強度は、上記風圧に耐えるように設計すれば良い。
【００５０】
上記メッシュフィルタ単体では強度が弱く耐久性に乏しいため、補強が必要である。本実施例では、メッシュフィルタの下流側の面に目の粗いＳＵＳ金網（線径：０．８ｍｍ、２．５メッシュ）を重ね合わせて全面的に補強し、またメッシュフィルタの表面には、ＳＵＳ製のロッド（線径：４ｍｍ）をジグザグの折目線に沿って等間隔に配置し、メッシュフィルタが変形、破損するのを防いだ。
【００５１】
実機テストでは、メッシュフィルタに堆積した雪状物が順次落下するので、ドレインパンが雪状物で満杯になることを解決すれば、デフロストが殆ど必要ないことが判った。また、メッシュフィルタを支持するフレームの強度は、従来の１／２程度で済むことが判った。
【００５２】
ジグザグ形状のメッシュフィルタを用いる場合には、メッシュフィルタの表面に付着した雪状物が対向する面に付着した雪状物とブリッジしないようにする必要がある。本実施例では、雪状物が最大で２５〜３５ｍｍ堆積することを考慮し、ジグザグの幅を１００ｍｍ、ジグザグの角度を２０．５度とした。その結果、投影面積に対するメッシュフィルタの面積は５．１４倍となった。
【００５３】
以上のメッシュフィルタを用いて実機テストを行ったところ、総圧力損失は従来の１／３、捕雪器のデフロスト周期が１回／３日（従来は１回／日）となった。また、デフロストに要するヒータの容量が従来の１／５となり、デフロストの所要時間が従来の１／２に短縮された。また、捕雪器の大きさも従来の１／２となり、捕雪器の製造コストは従来の１／２となった。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、雪状物を効果的に捕捉することができるのは勿論のこと、構成が簡単で設備コストおよびランニングコストを低減することができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の空気サイクル式冷却装置の概略を示す図である。
【図２】実施形態における捕雪器を示す側断面図である。
【図３】実施形態におけるフィルタ組立体の上側部分を示す斜視図であ
【図４】実施形態におけるフィルタ積層体を示す上面図である。
【図５】実施形態におけるフィルタ積層体を示す上面図である。
【図６】実施形態における捕雪器の開口を示す断面図である。
【図７】実施形態の変更例における捕雪器の開口を示す断面図である。
【符号の説明】
１圧縮機（圧縮手段）
２膨張機（膨張手段）
３冷却器（冷却手段）
４熱交換器（冷却手段）
５捕雪器（捕雪手段）
７冷凍室（要冷却室）

Claims

要冷却室内の空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮した上記空気を冷却する冷却手段と、冷却された上記空気を膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、
上記膨張手段と上記要冷却室との間の空気経路に、内部に平面状のメッシュフィルタを配置した捕雪手段を介装し、上記メッシュフィルタを、上記冷却空気が流れる方向の上流側へ向け前傾させて配置し、
前記要冷却室を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第１バイパス経路を設け、前記膨張手段を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第２バイパス経路を設け、
デフロスト時に前記第１バイパス経路および前記第２バイパス経路を通じて循環する空気を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする空気サイクル式冷却装置。
要冷却室内の空気を取り入れる熱交換器と、この熱交換器で昇温させられた空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮された上記空気が上記熱交換器で冷却された後にその空気を取り入れて膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、
上記要冷却室と上記熱交換器との間の空気経路に、内部に平面状のメッシュフィルタを配置した捕雪手段を介装し、上記メッシュフィルタを、上記空気が流れる方向の上流側へ向け前傾させて配置し、
前記要冷却室を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第１バイパス経路を設け、前記膨張手段を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第２バイパス経路を設け、
デフロスト時に前記第１バイパス経路および前記第２バイパス経路を通じて循環する空気を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする空気サイクル式冷却装置。
要冷却室内の空気を同要冷却室に設けた排気口から取り入れる熱交換器と、この熱交換器で昇温させられた空気を取り入れて圧縮する圧縮手段と、圧縮された上記空気が上記熱交換器で冷却された後にその空気を取り入れて膨張させる膨張手段と、膨張により降温した冷却空気を要冷却室に流入させる空気サイクル式冷却装置において、
上記排気口にメッシュフィルタを設け、
前記要冷却室を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第１バイパス経路を設け、前記膨張手段を回避して空気を装置内の空気経路に循環させるための第２バイパス経路を設け、
デフロスト時に前記第１バイパス経路および前記第２バイパス経路を通じて循環する空気を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする空気サイクル式冷却装置。
前記メッシュフィルタは、上下方向に沿う折目線に沿ってつづれ折りにされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空気サイクル式冷却装置。
前記メッシュフィルタの表面は、撥水性樹脂でコーティングされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の空気サイクル式冷却装置。