JP4044353B2

JP4044353B2 - 低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法とその装置

Info

Publication number: JP4044353B2
Application number: JP2002086157A
Authority: JP
Inventors: 克己藤間
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-03-26
Also published as: JP2003279202A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイクルにおいて、当該冷凍システムの運転停止時に形成され低元冷凍サイクル内に充満する高圧高温ガスをサイクル外に放出させ、放出冷媒ガスをガスハイドレートにより回収するようにした低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に−７０℃程度以下の冷熱源には、二元冷凍システムを使用し、低元側には低温下でもある程度圧力があり、且つ比体積の小さい低沸点の例えばメタン、エタン、ＣＯ_２、プロパン、窒素等の冷媒を使用し、高元側冷凍サイクルには一般冷媒を使用した他の冷凍機を使用して多元冷凍システムを構成し、前記低元冷凍サイクルの冷媒を圧力の低い低温で凝縮させ、前記異なる冷媒を使用した二つの冷凍サイクルを組み合わせて低温を得るようにし、−１２０℃位までの低温を得るようにしている。
【０００３】
上記多元冷凍システムの構成について、例えば高元側にアンモニア冷媒を使用し、低元側の二酸化炭素を使用した二元冷凍サイクルにより、その構成を下記に説明する。
則ち、二元冷凍サイクルは、図５に示すように、膨張タンク６０を設けた低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０と高元側アンモニア冷凍サイクル５１とよりなり、該冷凍サイクル５１の蒸発器５９と低元側カスケードコンデンサ５４とを熱交換させ、高元側冷凍サイクルのアンモニア冷媒の蒸発潜熱により低元冷凍サイクルの冷媒であるＣＯ_２ガスを凝縮させている。
図に見るように高元側圧縮機５７により圧縮されたアンモニア冷媒は凝縮器５８で冷却水により凝縮され蒸発器５９で発生させた冷熱を介して低元側のカスケードコンデンサ５４での熱交換により低元側冷媒のＣＯ_２の凝縮熱を奪い、凝縮された低元側冷媒は膨張弁６１を経由して下流の蒸発器５５を介して冷却負荷５６を冷却する構成にしてある。
【０００４】
上記構成よりなる二元冷凍サイクルにおいて、高元側アンモニア冷凍サイクル５１が運転を停止した場合は、低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０における圧縮機５３により圧縮された高圧高温ＣＯ_２ガスは、前記冷却機能を停止した高元側冷凍サイクルの蒸発器５９で冷却されることなく高温ガスの状態でカスケードコンデンサ５４を通過する。そのため当該低元冷凍サイクルは高温高圧ＣＯ_２ガスで充満する。この過度的膨張を吸収するため、低元冷凍サイクルの圧縮機５３の両端には大容積の耐圧膨張タンク６０を配設し、膨張した冷媒ガスを放出させ過渡的膨張を吸収するようにしてある。
そして、上記膨張タンク６０の容量は、冷媒の液状の時の体積とガスの時の体積の比が１／６００であるため、低元冷凍サイクルの液保有量の約６００倍の容積が必要とされている。
そして、前記膨張タンクの耐圧強度は少なくとも低元側冷媒の常温飽和圧以上に構成するとともに、低元冷凍サイクルの冷媒の完全なガス化の場合の耐圧強度に対応する構成にしている。
【０００５】
上記構成よりなる従来の多元冷凍システムにおいては、下記要領で高元側運転停止の事態に対応させている。
なお、上記膨張タンク６０には圧縮機５３の吐出側に接続する導管５３ａと吸入側に設けた導管５３ｂを設け、
ａ、二元冷凍システムの運転中は、前記導管５３ａに付設した弁Ｖ_Ｌを解放状態にし、導管５３ｂに付設した弁Ｖ_Ｈを閉鎖状態に置き、膨張タンク６０内を低圧状態に保持する。
ｂ、そして、運転停止時には、前記Ｖ_Ｈを解放しカスケードコンデンサ５４を含む前後の高圧高温ＣＯ_２ガスを膨張タンク６０に導入放出させ、サイクル内の急激な圧力上昇を飽和圧以下に抑制する。
ｃ、さらにサイクル内の圧力が上昇する場合は、膨張タンク６０に設けた安全弁を作動させる。
再起動時には、外部へ放出した低元側冷媒のＣＯ_２を補充して運転を再開する。
【０００６】
また、上記低元冷凍サイクルにおいては、低沸点の冷媒（例えばＲ２２やＣＯ_２等）を使用しているため、運転停止中熱交換器やアキュームレータの中の液冷媒とガスが共存する形で冷媒を貯蔵すると、２５℃の外気温度では冷凍装置の許容圧力を越えた高い圧力が掛かることになり、このためにも、液保有量の約６００倍の膨張タンクを用意している。
【０００７】
なお、二元冷凍システムにおいては、前記高元側に起因する運転停止の場合に限らず、低元冷凍サイクルの圧縮機の吐出温度の上がり過ぎによる圧縮機の運転停止や、低元冷凍サイクルのアキュームレータより圧縮機への液戻りによる圧縮機破損や、前記膨張弁制御の不良等の低元側に起因する冷凍システムの運転停止の場合もあり、この場合は高元側冷凍サイクルの冷熱源は他の部位に流用使用できる。
【０００８】
ところで、冷凍サイクルの冷媒回収機に係わる提案が、特開２００１−１１６４０７公報に「冷媒回収装置」として開示されている。
該提案によれば、図７に示すように、回収装置８０は、空気調和器の室外機７１に備えた二方弁７８および７９を連結するために設けた回収口及び液戻し口とに接続され潤滑油と冷媒ガスを分離するオイルセパレータ８３と、同オイルセパレータ８３に接続された冷媒を凝縮する凝縮器８４と、同凝縮器８４と前記オイルセパレータ８３の接続管路に設置された切り替え弁８６と、前記凝縮器８４で液化された冷媒を貯留する回収容器８７等とを設置したもので、
従来より使用されている回収機に見られる圧縮機を配設した回収機の代わりに、使用冷媒が回収される被回収空気調和機の室外機７１の圧縮機７３を使用して行なう構成としたもので、室外機（被回収機）７１の凝縮器７５と膨張弁７６の手前の回路を含む内部にある冷媒を同じく室外機７１の圧縮機７３を使用して回収装置８０に送り該装置内の凝縮器を使用液冷媒として回収している。
【０００９】
また、冷媒回収機に係わる別の提案が、特開２０００−１０５０２８公報に「冷媒回収システム」として開示されている。
該提案によれば、図６に示すように、圧縮機９２、凝縮器９３、キャピラリチューブ（減圧装置）９４、蒸発器９５を含む被回収機１００において、前記凝縮器９３の両端に開閉弁９７、９９を設け、冷媒回収の際は、開閉弁９９を閉鎖した後、圧縮機９２を稼働させ矢印方向に冷媒を圧縮して前記開閉弁９７と９９の管路の間に凝縮蓄積させ、所定時間経過後キャピラリチューブ９４上流に設けた圧力計Ａにおける圧力零の指示された時点で、前記開閉弁９７、９９を閉鎖しその両端管路部位を分離して然るべき処理場に搬送して、該管路部位内の冷媒を回収する構成にしている。
【００１０】
上記二つの冷媒回収の提案の何れも冷媒ガスを凝縮して、液冷媒として回収する方法によっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の多元冷凍システムにおいては、低元冷凍サイクルに使用している冷媒には低沸点の冷媒を使用している点も原因して、前記システムの運転停止に発生する大量の高圧高温ガスに対応するため、低元冷凍サイクルには液保有量の６００倍の大容量にして、且つ常温（２５℃）飽和圧以上の耐圧強度を持つ膨張タンクの配設を必要とし、それが高コストの原因を形成しており、何らかの対策が強く望まれている。
【００１２】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、
多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイクルにおいて、当該冷凍システムの運転停止時に形成され低元冷凍サイクル内に充満する高圧高温ガスをサイクル外に放出させ、ガスハイドレートにより回収するようにした低元冷凍サイクルの放出冷媒ガスの回収を可能とした、低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法とその装置の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法は、
多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイクルにおいて、ＣＯ _２冷凍サイクルからなる前記低元冷凍サイクルが前記システムの運転停止により惹起される高圧高温冷媒ガスをサイクル外に放出させ、放出冷媒ガスを冷熱源によりガスハイドレートによる回収を行なうようにし、前記サイクル外への放出が該サイクルを構成する圧縮機の吐出側と導入側とのそれぞれから放出可能とするとともに、回収初期においては吐出側から放出しその後放出冷媒ガスの圧力降下後には導入側から放出するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
前記発明は、多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイクルの運転稼働中の冷媒が当該冷凍システムの運転停止により惹起される高圧高温冷媒ガスをサイクル外に設けた従来の膨張タンクに代わる回収装置に放出させ、該装置による放出冷媒ガスの回収に係わるもので、
前記冷媒ガスを水和させるとともに冷熱源により適当温度で冷却し、複数の水分子（Ｈ_２Ｏ）により形成された立体篭型の包接格子（クラスレート）の中に、冷媒ガスであるハイドレート形成物質の分子を入り込ませ、包接され当該冷媒ガスの液容量の３倍容量を持つ結晶構造体を形成させたもので、前記回収装置を形成するハイドレート生成容器の容量も従来の膨張タンクに比較して格段に小さい容量を持つ容器で代用できる。
【００１５】
前記ガスハイドレートは、天然ガスの水和物を指し、複数の水分子（Ｈ_２Ｏ）により形成された立体篭型の包接格子（クラスレート）の中に、天然ガスの各成分を構成するハイドレート形成物質（メタン、エタン、プロパン）等の分子が入り込み包接された結晶構造をなすもので、高密度ガス包蔵性を持ち、氷と同量の冷熱を発生する。
例えばメタンハイドレートの安定に存在し得る条件下、則ち、−３０℃の大気圧下（約０．１ＭＰａ）においては、気体状態と比較して約１／１７０の体積を持つ構造体で形成される。且つこのようにガスハイドレートは比較的容易に得られる温度・圧力条件下での製造が可能で、安定した貯蔵が可能である。
【００１６】
ＣＯ_２ハイドレートは水分子の造るケージ構造の中にＣＯ_２分子が取り込まれ、０〜−１０℃、１０ａｔｍの雰囲気下で、撹拌のもとにクラスレート（包接）化合物として形成される。
【００１７】
また、前記低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法において、
ガスハイドレートによる回収は、低元冷凍サイクルの設計圧力以下で回収可能とした貯蔵タンクと、冷熱源とを備えたガスハイドレート生成機により行なうようにするのが好ましい。
【００１８】
前記発明は、前記サイクル外に放出させた放出冷媒ガスである高圧高温冷媒ガスのハイドレート処理をするハイドレート生成について記載したもので、
前記ハイドレート処理は、一般に、当該冷媒のハイドレート生成条件下の圧力と温度のもとにハイドレート生成容器で該容器に付設した冷熱源により低元冷凍サイクルの設計圧力以下のもとに行なわれ、
メタンハイドレートは、−１０℃以下の温度で大気圧以上の圧力のもとに形成されて、ＣＯ_２ハイドレートは、０〜−１０℃、１０ａｔｍのもとに撹拌して形成される。
従って、前記サイクル外への放出が該サイクルを構成する圧縮機の吐出側と導入側とのそれぞれから放出可能とするとともに、回収初期においては吐出側から放出される高温高圧のガスを放出してその後放出冷媒ガスの圧力降下後には導入側から放出するように切り替えることで、ハイドレートを効果的に行なうことができる。
【００１９】
また、前記低元冷凍サイクルの冷媒ガス回収方法における冷熱源は、当該多元冷凍機の高元側冷凍サイクルの冷熱源を使用する構成が好ましい。
【００２０】
前記したように、二元冷凍システムの運転停止は、低元冷凍サイクルの圧縮機の機能停止に基づく運転停止もあり、この場合は稼働可能な高元側冷凍サイクルの冷熱源を使用する。
【００２１】
そこで、本発明の多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイクルの放出冷媒ガスを回収する冷媒ガス回収装置において、
ＣＯ _２冷凍サイクルからなる前記低元冷凍サイクルの高圧高温冷媒ガスをサイクル外に放出する放出部と、放出冷媒ガスより該ガスの水和物を形成し冷熱によりガスハイドレートを生成するハイドレート生成容器と、該生成容器に付設した冷熱源と、放出冷媒ガスの放出量の調整と冷却温度の調整をする調整部と、より構成し、前記放出部は前記低元冷凍サイクルを構成する圧縮機の吐出側からの放出管と圧縮機の導入側からの放出管によってなり、前記調整部によって回収初期には前記吐出側の放出管から放出し該放出冷媒ガスの圧力降下後には導入側の放出管から放出するように制御することを特徴とする。
【００２２】
前記発明は、本発明の低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法を利用した好適な装置の構成について記載したもので、
回収する低元冷凍サイクルの放出冷媒ガスをサイクル外へ導出する放出部と、
放出冷媒ガスよりその水和物を形成させるとともに冷熱により特定の温度と圧力の生成条件のもとにガスハイドレートを生成する生成容器と、
放出冷媒ガスの放出量の調整と冷熱による冷却温度を調整して前記好適な生成条件のもとにガスハイドレートを生成させる調整部と、
前記生成時の冷熱を供給する冷熱源とより構成されている。
さらに、前記放出部は前記低元冷凍サイクルを構成する圧縮機の吐出側からの放出管と圧縮機の導入側からの放出管によってなり、前記調整部によって回収初期には前記吐出側の放出管から放出し該放出冷媒ガスの圧力降下後には導入側の放出管から放出するように制御される。
【００２３】
また、前記冷媒ガス回収装置における冷熱源は、前記多元冷凍システムの高元側冷凍サイクルの冷熱を使用する構成が好ましい。
【００２４】
前記発明は、前記低元冷凍サイクルの高圧高温冷媒のサイクル外への放出が、低元冷凍サイクルの運転停止に起因する場合についての冷熱源の使用につき特定したもので、この場合は高元側冷凍サイクルの冷熱源を切り替え使用する。
【００２５】
また、前記冷媒ガス回収装置における生成容器は、回収する低元冷凍サイクルの冷媒液保有量の少なくとも３倍以上の容積で構成するのが好ましい。
【００２６】
前記発明は、前記ガスハイドレート生成容器の容量について記載したもので、
その大きさは、冷媒液量に対し３倍の容量が必要とすることが記載され、従来の冷媒液保有量の６００倍の容量を必要とした膨張タンクと比較して顕著なコスト削減効果を上げることができる。
【００２７】
また、前記冷媒ガス回収装置における生成容器は、温度調整可能な構成が好ましい。
【００２８】
前記発明は、前記ハイドレート生成には冷媒別の生成条件があり、ハイドレート生成時に前記制御部による温度調整をして最適生成条件のもとにハイドレート生成を行なうようにする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的記載が無い限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は、本発明の冷媒ガス回収装置と二元冷凍システムの低元冷凍サイクルとを結合する管路図で、図２は図１の別の実施例に基づく管路図で、図３は図１、図２の別の実施例を示す管路図である。
【００３０】
図１は、本発明の冷媒ガス回収装置と二元冷凍システムの低元冷凍サイクルとを結合する管路図である。
図に見るように、前記二元冷凍システムは高元側アンモニア冷凍サイクル５１と低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０とにより構成され、該システムに結合する本発明の冷媒ガス回収装置１０は、ハイドレート生成容器であるタンク１０ｂと制御部１４と冷熱源１２と放出用の管路１５、１６とより構成し、低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０には管路１５、１６で結合させ、当該二元冷凍システムの運転停止時には前記低元ＣＯ_２冷凍サイクル内の高圧高温冷媒ガスであるＣＯ_２ガスを回収する構成にしてある。
【００３１】
前記冷媒ガス回収装置１０は、ガスハイドレート生成機能を持ち、適量の水和用水１０ａを持つタンク１０ｂ内に、前記管路１５、１６を介して低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０内の高圧高温ＣＯ_２ガスを導入し、前記水和用水１０ａとの接触面で水和反応を惹起させるとともに、冷熱源１２により最適のガスハイドレート生成平衡条件のもとにＣＯ_２ガスのガスハイドレートを形成する構成にしてある。
【００３２】
前記最適ガスハイドレート生成平衡条件は、ガスハイドレートを安定した状態で生成し、生成したガスハイドレートの貯蔵を可能とする条件で、該条件を図４のグラフに示してある。図４に見るように、
冷媒ガスがメタンの場合は、−３０〜−１０℃の温度範囲で大気圧以上の加圧のもとにガスハイドレートを生成する。
ＣＯ_２ガスの場合は、０〜−１０℃，約１０気圧のもとに生成される。
図１に示すように、上記最適生成条件は制御部１４により圧力センサ１４ａ、温度センサ１４ｂによる（二点鎖線による指図）検出値を介して、冷熱源１２の制御と管路１５、１６に設けたバルブ制御（点線指図）により流量制御を行なうようにしている。
なお、上記ハイドレートの生成に使用するタンク１０ｂの容量は、前記低元ＣＯ_２冷凍サイクル５０の冷媒液保有量の少なくとも３倍以上の容量を必要とする。（液化ガスに対するガスハイドレートのガス密度は１／３）
【００３３】
なお、当該二元冷凍システムの運転停止が高元側冷凍サイクルによらない場合は、図に示すようにバルブ２１ａ、２１ｂを閉鎖してバルブ２２ａ、２２ｂを介して高元側アンモニア冷凍サイクル５１の冷熱源Ｂを冷熱源１２の代わりに投入しても良い。
【００３４】
上記図１の場合は、回収の初期には圧縮機６２の吐出側管路１５より圧縮直後の高圧高温のＣＯ_２ガスを導入し、圧力降下後は圧力センサ１４ａを介して制御部１４を作動させ導入側を管路１５より管路１６に切り替え、ハイドレートを効率的に行なうようにしても良い。
【００３５】
図２には図１の別の実施例に基づく管路図が示してある。
図に見るように、放出冷媒ガスの導入を圧縮機群６２、６２、６２…の吐出側の管路１５により行なうようにしたもので、圧縮直後の高圧高温冷媒ガスを導入できる。
上記以外の作動は図１と同様であるので説明を省略する。
【００３６】
上記図１、図２に示すガスハイドレートによる冷媒ガスの回収の場合は、ＣＯ_２ガスに対してはメタンよりも、高温、低圧の条件でガスハイドレートができ、
且つ、生成されたガスハイドレートは、メタンの場合は−３０℃以下、ＣＯ_２の場合は約−１０℃以下の状態では大気圧のもとに安定した状態で貯蔵できる。
【００３７】
図３には図１、図２に示す実施例の別の実施例を示したもので、図に見るように、放出冷媒ガスの導入を圧縮機群６２、６２、６２…の吸入側の管路１６により行なうようにしたものである。
【００３８】
（削除）
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、上記構成により、従来多元冷凍システムの低元冷凍サイクルに配設することを余儀なくされていた大容量（液保有量の約６００倍）膨張タンクの代わりにその１／２００の容量（液保有量の３倍）で済むハイドレート生成器を設置することにより、設備コストの削減に顕著な効果をもたらすとともに、回収した冷媒も貯蔵可能で、より大きな省エネ効果を上げることができる。
また、ＣＯ_２ガスの生成条件は５℃、約２ＭＰａで従来の膨張タンクの設計圧力と比較して半分以下に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷媒ガス回収装置と二元冷凍システムの低元冷凍サイクルとを結合する管路図である。
【図２】図１の別の実施例に基づく管路図である。
【図３】図１、図２の別の実施例を示す図である。
【図４】ガスハイドレートの生成平衡条件を示すグラフである。
【図５】従来の二元冷凍システムの構成を示す系統図である。
【図６】従来の冷凍サイクルの冷媒ガス回収手段を示す図である。
【図７】従来の冷凍サイクルの冷媒ガス回収の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０冷媒ガス回収装置
１０ａ水和用水
１０ｂタンク
１２冷熱源
１４制御部
１５、１６管路

Claims

多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイクルにおいて、ＣＯ _２冷凍サイクルからなる前記低元冷凍サイクルが前記システムの運転停止により惹起される高圧高温冷媒ガスをサイクル外に放出させ、放出冷媒ガスを冷熱源によりガスハイドレートによる回収を行なうようにし、前記サイクル外への放出が該サイクルを構成する圧縮機の吐出側と導入側とのそれぞれから放出可能とするとともに、回収初期においては吐出側から放出しその後放出冷媒ガスの圧力降下後には導入側から放出するように切り替えることを特徴とする低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法。
前記ガスハイドレートによる回収は、低元冷凍サイクルの設計圧力以下で回収可能とした貯蔵タンクと、冷熱源とを備えたガスハイドレート生成機により行なうようにしたことを特徴とする請求項１記載の低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法。
前記冷熱源は、多元冷凍機の高元側冷凍サイクルの冷熱源を使用する構成としたことを特徴とする請求項１記載の低元冷凍サイクルの冷媒ガスの回収方法。
多元冷凍システムを形成する低元冷凍サイクルの放出冷媒ガスを回収する冷媒ガス回収装置において、
ＣＯ _２冷凍サイクルからなる前記低元冷凍サイクルの高圧高温冷媒ガスをサイクル外に放出する放出部と、放出冷媒ガスより該ガスの水和物を形成し冷熱によりガスハイドレートを生成するハイドレート生成容器と、該生成容器に付設した冷熱源と、放出冷媒ガスの放出量の調整と冷却温度の調整をする調整部と、より構成し、前記放出部は前記低元冷凍サイクルを構成する圧縮機の吐出側からの放出管と圧縮機の導入側からの放出管によってなり、前記調整部によって回収初期には前記吐出側の放出管から放出し該放出冷媒ガスの圧力降下後には導入側の放出管から放出するように制御することを特徴とする冷媒ガス回収装置。
前記冷熱源は前記多元冷凍システムの高元側冷凍サイクルの冷熱を使用する構成としたことを特徴とする請求項４記載の冷媒ガス回収装置。
前記生成容器は回収側低元冷凍サイクルの冷媒液保有量の少なくとも３倍以上の容積で構成したことを特徴とする請求項４記載の冷媒ガス回収装置。
前記生成容器は温度調整可能な構成としたことを特徴とする請求項４記載の冷媒ガス回収装置。