JP4188971B2 - アンモニア/co2冷凍システムと、該システムに使用されるco2ブライン生成装置及び該生成装置が組み込まれたアンモニア冷却ユニット - Google Patents
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Description
例えば特許文献1(特許第3458310号公報)には、アンモニアサイクルと炭酸ガスサイクルとを組み合わせたヒートポンプシステムが開示されており、その具体的構成を図9(A)に基づいて説明するに、まずアンモニアサイクルでは、圧縮機104によって圧縮された気体状のアンモニアが、コンデンサ105を通るとき、冷却水または空気によって冷やされて液体となる。液体となったアンモニアは、膨張弁106によって必要な低温度に相当する飽和圧力まで膨張した後、カスケードコンデンサ107で蒸発して気体となる。このとき、アンモニアは、炭酸ガス冷凍サイクル内の二酸化炭素から熱を奪い、これを液化する。
一方、炭酸ガスサイクルでは、カスケードコンデンサ107によって冷やされて液化した液化炭酸ガスが、液ヘッド差を利用した自然循環現象によって下降し、流量調整弁108を通って、目的の冷却を行うボトムフィード型の蒸発器109に入り、ここで温められて蒸発し、ガスとなって再びカスケードコンデンサ107に戻っていく。
そして前記特許文献1においては、カスケードコンデンサ107は、目的の冷却を行う蒸発器109よりも高い位置、例えば屋上等に設置され、そしてこのような構成を採ることによって、カスケードコンデンサ107とクーラファン109aを有する蒸発器109との間に液ヘッド差を形成するものである。
かかる原理を図1(B)の圧力線図に基づいて説明するに、図中点線は圧縮機によるヒートポンプサイクルに基づくアンモニアサイクルで、実線が自然循環によるCO2サイクルを示し、本図ではカスケードコンデンサ107とボトムフィードの蒸発器109との間に液ヘッド差を利用して自然循環可能に構成してある。
しかしながら、前記特許文献1はアンモニアサイクル内において蒸発器となるカスケードコンデンサ(二酸化炭素媒体を冷やす蒸発器)を、建物の屋上などCO2サイクル内の目的の蒸発器(冷凍ショーケース等)よりも高い位置に設置しなければならないという基本的な欠陥がある。
特に冷凍ショーケースやフリーザユニットは顧客の都合により、中高層ビルの高層階に据え付ける必要があることもあり、このような場合には全く対応できない。
このため、前記特許文献1では、図9(B)に示すように、二酸化炭素媒体の循環を二次的に補助し、循環をより確実なものとするために、サイクル内に液ポンプ110を設ける形態とっているものもある。しかしながらかかる技術も液ヘッド差を利用した自然循環にとどまり、補助的に液の循環量を制御して二酸化炭素媒体を冷却するものである。
即ち前記特許文献1においても自然循環サイクルに並列して補助ポンプ流路を配置するものであるために、液ヘッド差を利用した自然循環経路の存在が前提となるものであり、CO2自然循環サイクルが形成された上での補助ポンプ流路である。(従って補助ポンプ流路は自然循環サイクルに対して並列接続でなければならない。)
特に前記特許文献1も液ヘッド差を確保していることを前提に補助的に液ポンプを利用するもので、カスケードコンデンサ(二酸化炭素媒体を冷やす蒸発器)が炭酸ガスサイクル内の目的の蒸発器より高い位置に設定することが前提となるものであり、前記した基本的な欠点の解消にはつながらない。
しかも前記特許文献1は1階と2階に蒸発器(冷凍ショーケース、冷房機等)を設置する場合にそれぞれの蒸発器のカスケードコンデンサとの間の液ヘッド差が異なる場合にもその適用が困難である。
又前記特許文献1においては、カスケードコンデンサ107と蒸発器109との間に液ヘッド差を設けるということは図9に示すように、蒸発器が、CO2入口側が蒸発器ボトムであり、CO2出口側が蒸発器トップである、いわゆるボトムフィード構成でなければ自然循環が行われないという制約がある。
しかしながらボトムフィード構造では下方入口側の冷却管の中では、CO2液が管内に奪熱されながら蒸発するがその蒸発したガスは、冷却管の上方に向かって流れ冷却管の上方位置ではガスのみとなって冷却が十分行われず、下方の冷却管のみが有効に冷却され、また入口側に液ヘッダを設けた場合に冷却管への均一な分配も出来ないという問題がある。実際に図1(B)に示す圧力線図でも蒸発器109でCO2が完全に蒸発した後回収される線図になっている。
このようなエバコンを含むアンモニア冷却ユニットの構造は本出願人が、特許文献2(特開2003−232583号)に開示したものが存在する。
かかる特許文献2のアンモニア冷却ユニット構造を図10で開示している。
則ち本冷却ユニットは、前記発明は、圧縮機1、蒸発器3、膨張弁23、水タンク25などを内蔵する下段構造体56を密閉空間となすとともに、その上方の上部構造体55にエバコンの散水部61と熱交換器60を内蔵する凝縮部を組み込んだ二重殻構造とし、前記空冷ファン63により外部ケーシングに設けた空気導入口69よりエバコン下方から熱交換器60に導入される冷却空気とともに、該熱交換器60内で散水による除害処理を行ない、前記冷却空気により前記傾斜冷却管内を流れる高圧高温アンモニアガスの凝縮を行うようにしたものである。
なお、前記エバコンは、傾斜多管式熱交換器60と、散水管部61と、エリミネータ64と、熱交換済み空気を外部へ送出する空冷ファン63とより構成し、前記傾斜多管式熱交換器60下方に位置するドレーンパン62の外周に、筒状角柱よりなる外部ケーシング65を設けて、二重殻構造にしてある。
又前記傾斜多管式熱交換器60は、一組の対向壁面を形成するヘッダ60c、60d付き管板と、該管板間を貫通する複数の傾斜冷却管60gとにより傾斜多管式熱交換器が構成され、その上部の散水管部61より熱交換器の傾斜冷却管60gに散水をさせ、蒸発潜熱による冷却を行なわせた後、エリミネータ64を介して上部に設けた空冷ファン63により空気導入口より取り入れた冷却空気を外部へ放出するようにしている。
そして前記エリミネータ64は、散水部61より傾斜冷却管60gに向け散水した水の飛散防止のために複数のエリミネータ64を隣接させて同一平面上に並列配置されているが、該エリミネータ64間をファン63による吸引空気が通過する際の圧損が大きく、その分ファンの風力を大きくせねばならず、騒音や無用の駆動力の増大につながる。(矢印は空気流の流れを示す。)
又前記の下部構造体のように、アンモニア系統と二酸化炭素系統の一部をユニット化して収納した場合に、圧縮機の軸受け部等アンモニアが漏洩する場合がある。
このような場合に、アンモニアは毒性及び引火性があるために、たとえ密閉構造にしていてもその対策が必要である。
本発明の他の目的は、CO2サイクル側の冷却器の位置、種類(ボトムフィード型、トップフィード型)及びその数、更には蒸発器と冷却器間に高低差を有する場合でも円滑にCO2循環サイクルが形成できる冷凍システムと該システムに使用されるCO2ブライン生成装置を提供することを目的とする。
本発明の他の目的はエバコンを用いてアンモニア冷却ユニットを構成し、その凝縮部とファンの間にエリミネータを配設した場合に、ファンによりエリミネータを通過する際の圧損を低減できるCO2生成装置が組み込まれたアンモニア冷却ユニットを提供することにある。
又本発明の他の目的は、アンモニア系統と二酸化炭素系統の一部をユニット化して収納してアンモニア冷却ユニットを構成した場合に、そのアンモニア系統が収納された空間内にアンモニアが漏洩した場合においても、毒性のあるアンモニア漏洩やアンモニア引火による火災を容易に防止できるCO2生成装置が組み込まれたアンモニア冷却ユニットを提供することにある。
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器出口より回収されるCO2が気液混合状態で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を設定したことを特徴とし、更に前記冷却器出口側と蒸発器を結ぶCO2回収経路と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器を結ぶ圧力逃がし経路を設け、一部蒸発機能を有する冷却冷却器内圧力が所定圧力以上の場合に圧力逃がし経路を介してCO2圧力を逃がすことを特徴とする。
又前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器は複数組設けてもよいが、少なくともその1つがトップフィード型であってもよい。
更に前記ポンプは、間欠運転又は/及び回転数可変の駆動機例えばインバータモータに連結されているポンプであるのがよい。
又インバータモータによる駆動されるポンプを用いて、ポンプ起動時に間欠運転と回転数可変制御を組み合わせてポンプ吐出圧力を設計圧力以下で運転し、その後回転数可変制御で運転を行うのがよい。
そして前記ポンプ吐出側の給送ラインと冷却負荷との接続部に、断熱継手が介装されているのがよい。
又冷凍負荷側の前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器出口より回収されるCO2が液若しくは気液混合状態で回収されるように構成してあるために、ボトムフィード構造の冷却器であっても、該冷却器の冷却管の上方位置でも気液混合状態が維持できるためにガスのみとなって冷却が十分行われないことがなく、冷却管全体にわたって円滑な冷却が可能である。
そしてこのような前記液ポンプ強制循環量を前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有するように設定した冷却器側の必要循環量の2倍以上に、好ましくは3〜4倍に設定した場合は、起動時は常温から運転するために、無用な圧力上昇が起こり、ポンプ設計圧力を超えてしまう恐れがある。
そこでポンプ起動時に間欠運転と回転数可変制御を組み合わせてポンプ吐出圧力を設計圧力以下で運転し、その後回転数可変制御で運転を行うのがよい。
更に安全設計思想として、前記冷却器出口側と蒸発器を結ぶCO2回収経路と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器を結ぶ圧力逃がし経路を設け、常温時のポンプ起動時のように冷却器内圧力が所定圧力(設計圧力の近傍例えば90%負荷)以上の場合に圧力逃がし経路を介してCO2圧力を逃がして安全設計思想を組み込むのがよい。
又前記冷却器は複数組設けてもよく、液ポンプの給液経路を分岐させる場合や冷却負荷の変動が大きい場合であっても対応でき、少なくともその1つがトップフィード型冷却器であっても対応できる。
そして前記構成を取るために、前記ポンプは、間欠運転又は/及び回転数可変の駆動機例えばインバータモータに連結されているポンプであるのがよい。
又前記冷凍負荷内のCO2は、作業終了毎にCO2を回収してポンプの停止を行う必要があるが、この場合は前記冷凍負荷が冷却器を内蔵する冷却設備である場合に、冷却設備庫内温度と冷却器出口側のCO2圧力を検知し、その圧力に基づくCO2飽和温度と庫内温度を比較して冷却器内のCO2残量を判断しながら冷却器ファン停止時期を判断するCO2回収制御を行うのがよい。
更に前記冷凍負荷がデフロスト方式の冷却器を内蔵する冷却設備である場合に、CO2回収制御時にデフロスト散水を行いながらCO2回収を行うことにより回収時間を短縮できる。
この場合に冷却器出口側のCO2圧力を検知し、その圧力に基づいて前記散水量を制御するのがよい。
そして前記ポンプ吐出側の給送ラインと冷却負荷との接続部に、断熱継手が介装されているのがよい。
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、該ポンプが冷却負荷側に設けた前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有するCO2冷却器の温度と圧力、前記ポンプ入口/出口間の差圧、の少なくともいずれか1つによって可変制御されることを第1の要旨とする。
この場合に前記冷却液化後のCO2を液溜する液溜器若しくは給送ラインの過冷却状態に基づいて液溜器の液CO2の少なくとも一部を過冷却する過冷却器とを設け、更に前記液溜器の過冷却状態の判断が、前記冷却液化後のCO2を液溜する液溜器の圧力と液温を計測して、前記圧力に基づく飽和温度と実測液温を比較して過冷却度を演算するコントローラによりおこなわれるのを第2の要旨とする。
又、前記液ポンプの入口/出口間の差圧を検知する圧力センサを設け、前記給送ラインの過冷却状態の判断が前記圧力センサの検知信号によりおこなわれるのがよい。
そして具体的には、前記過冷却器は、例えばアンモニア冷凍サイクルの蒸発器導入側ラインを分岐若しくはバイパスしてなるアンモニアガスラインで構成することができる。
又本発明の好ましい他の実施例として、前記液ポンプ出口側と蒸発器間を、開閉制御弁を介してバイパスするバイパス通路を設けるのがよい。
更に本発明の好ましい他の実施例として、液ポンプの入口/出口間の差圧検知結果に基づいてアンモニア冷凍サイクルの冷凍機を強制アンロードするコントローラを備えているのがよく、又前記ブライン生成装置の給送ラインと冷却負荷との接続部に、断熱継手が介装されているのがよい。
又前記冷却液化後のCO2を液溜する液溜器若しくは給送ラインの過冷却状態に基づいて、前記液溜器の液の全量もしくは一部を、液溜器の内部もしくは外部に装備した液を冷却する過冷却器を配置して安定した過冷却度を確保することができる。
又本発明は前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、該液ポンプが冷却負荷側に設けたCO 2 冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御されるとともに、前記液ポンプ出口側と一部蒸発機能を有する冷却器間を、開閉制御弁を介してバイパスするバイパス通路を設けたことを特徴とする。前記液ポンプ出口側と蒸発器間を、開閉制御弁を介してバイパスするバイパス通路を設けることにより、起動時や負荷変動時に過冷却度が低下して、前記CO2液ポンプの差圧が低下してキャビテーション状態になった場合でも早期復帰のためにポンプ吐出から蒸発器へのバイパスラインで液ガス混合をバイパスさせてガスを液化することができる。
更に液ポンプの入口/出口間の差圧検知結果に基づいてアンモニア冷凍サイクルの冷凍機を強制アンロードするコントローラを備えていれば、前記のようにポンプの差圧が低下してキャビテーション状態になった場合に、早期復帰のために冷凍機を強制アンロードさせ、CO2の飽和温度を擬似的に上昇させ過冷却度を確保することもできる。
前記液ポンプを、冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御される給液量可変型の強制循環ポンプで構成するとともに、前記ユニット空間内にアンモニア除害水槽を設け、前記ユニット空間内に位置するCO2系統(例えば液化CO2を冷却する前記蒸発器)内のCO2を除害水槽に導く中和ラインを設けたことを特徴とする。
かかる発明によれば第1及び2発明の効果に加えてユニット空間内に位置するアンモニア系統よりアンモニアが漏洩した場合に、水を除害材とする設備の除害水槽に二酸化炭素を加えて、アンモニアを除害したあとの除害水(安水・酸性)を中和させることができる。
更に本発明は、前記液ポンプを、冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御される給液量可変型の強制循環ポンプで構成するとともに、前記ユニット空間内に位置するCO2系統内((例えば液化CO2を冷却する前記蒸発器))のCO2をユニット空間内のアンモニア系統(アンモニア冷凍機の軸受け等)と対面する部位に噴出させるCO2噴出ラインを設けたことを特徴とする。
更に本発明は、前記液ポンプを、冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御される給液量可変型の強制循環ポンプで構成するとともに、前記ユニット空間内に位置するCO2系統内のCO2をユニット空間内に放出させるCO2噴出部を設け、該噴出部の開閉制御が前記ユニット空間内の温度若しくはCO2系統の圧力に基づいておこなわれることを特徴とする。
かかる発明によれば、第1及び2発明の効果に加えてアンモニア漏洩等に起因する火災等により前記ユニット空間内の温度若しくはCO2系統の圧力が上昇した場合に、前記CO2噴出部が開放する安全弁として機能させることにより、万が一の火災時に、ユニット空間内の異常温度上昇若しくは既定圧力以上の圧力上昇により、二酸化炭素安全弁として機能する前記CO2噴出部を開放すれば、二酸化炭素を放出により安全に消火若しくは異常圧力状態を解消することができる。
又一般的に前記CO2系統のようなCO2二次冷媒装置は長期の停止や長時間の停電の場合CO2が圧力上昇を起こす。従来は本装置の機械を強制運転したり、休日用の小型の機械を準備している。しかしながらCO2は大気放出しても安全であるので停.止中に規定圧力以上に上昇した場合、二酸化炭素安全弁として機能する前記CO2噴出部を開放すれば、二酸化炭素を放出により異常圧力状態を解消することができる。
この場合、前記ユニット空間内に位置するCO2系統内のCO2をユニット空間内に放出させるCO2噴出部が、前記冷却液化後のCO2を液溜する液溜器若しくは給送ラインの過冷却状態に基づいて液溜器の液CO2の少なくとも一部を過冷却する過冷却器を経由する噴出ラインを介して形成されているのがよい。
即ち、受液器外周の自冷装置を経由して冷却されたCO2が放出されるので安全性が一層向上する。
前記ユニット空間内の液ポンプを、冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御される給液量可変型の強制循環ポンプで構成するとともに、並列配置した複数のエリミネータの隣接するエリミネータ同士が、該エリミネータの側壁上側と他のエリミネータの側壁下側間が、互いに対面するごとく段差を持たせて形成し、
前記冷却管を、アンモニア圧縮ガスが導入される導入口と連接する入り口側をヘッダで集合させた傾斜多管式熱交換器で構成するとともに、前記導入口と対面するヘッダ側に衝突板を配置したことを特徴とする。
又散水管で生成した水滴は、段差で下側に位置する隣のエリミネータ側壁に衝突することで、側壁の枠に集まった水滴が大きくなっていくことで、ファンにより吸引されずに上への飛散を防止できる。
更に本発明は、前記冷却管を、アンモニア圧縮ガスが導入される導入口と連接する入り口側をヘッダで集合させた傾斜多管式熱交換器で構成するとともに、前記導入口と対面するヘッダ側に衝突板を配置することにより、前記導入口より導入されたアンモニアガスが、衝突板に衝突して傾斜多管式熱交換器内に均等に流すことができる。
又本第1発明によれば、CO 2 サイクル側の冷却器の位置、種類(ボトムフィード型、トップフィード型)及びその数、更には蒸発器と冷却器間に高低差を有する場合でも円滑にCO 2 循環サイクルが形成できる冷凍システムと該システムに使用されるCO 2 ブライン生成装置を提供できる。
更に第2発明によれば、二酸化炭素(CO 2 )を二次冷媒(ブライン)としてポンプ方式で循環するCO 2 ブライン生成装置を効果的に製造することができる。特に本第1及び第2発明によれば、必要の冷媒循環量以上の(3〜4倍)ポンプ容量を持つ強制循環方式を採用することにより、前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器に液を満たし管内の液速度を上昇させ伝熱性能を向上させることができ、さらに、冷却器が複数台の場合に液の分配を効率的に行うことができる。
第3の発明によれば、第1及び2発明の効果に加えて前記ユニット空間内にアンモニア系統よりアンモニアが漏洩した場合に、ユニット空間内のアンモニア系統に向け二酸化炭素を強制噴射してアンモニアと二酸化炭素を化学反応させ炭酸アンモニウムを生成させてアンモニアを除害することにより安全性が一層高まる。
又第4の発明によれば、エバコンを用いてアンモニア冷却ユニットを構成し、その凝縮部とファンの間にエリミネータを配設した場合に、ファンによりエリミネータを通過する際の圧損を低減できるCO 2 生成装置が組み込まれたアンモニア冷却ユニットを得ることができる。
又第4の発明によれば、アンモニア系統と二酸化炭素系統の一部をユニット化して収納してアンモニア冷却ユニットを構成した場合に、そのアンモニア系統が収納された空間内にアンモニアが漏洩した場合においても、毒性のあるアンモニア漏洩やアンモニア引火による火災を容易に防止できる。
これにより冷却負荷の冷却器と蒸発器間に高低差や距離があっても、前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器を構成したために、単一及び複数ポンプによる多室(冷却器)冷却管理及び冷却器のボトムフィード及びトップフィード方式等あらゆる冷却サイクルに対応できる。
次にマシンユニットの構成について説明する。
1はアンモニア冷凍機(圧縮機)で、該冷凍機1で圧縮されたガスは、凝縮器2で凝縮された後、その液アンモニアを膨張弁で膨張させ、ついでライン24(図3参照)を介してCO2ブライン冷却用蒸発器3でCO2と熱交換させながら蒸発させて再度冷凍機1に導入してアンモニア冷凍サイクルを構成する。
CO2ブラインはフリーザユニットB側からCO2気液を回収した後、CO2ブライン冷却用蒸発器3に導き、アンモニア冷媒との熱交換によりCO2を冷却凝縮した後、該凝縮した液CO2をインバータモータにより回転数可変及び間欠運転可能な液ポンプ5を介してフリーザユニットB側に導く。
フリーザユニットBは液ポンプ吐出側と蒸発器吸込側間にCO2ブラインラインが形成されており、そのライン上に前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器6が一又は複数個配設されており、フリーザユニットに導入された液CO2を冷却器6でその一部が蒸発して液若しくは液気混合ガス状態でマシンユニット内のCO2ブライン冷却用蒸発器に戻され、CO2二次冷媒サイクルが構成される。
そして図2(A)は前記ポンプ吐出側にトップフィード方式の冷却器とボトムフィード方式の冷却器が並列配置されている。
そしてボトムフィードの冷却器の場合にガス化されたCO2による無用の圧力上昇を防ぐため、又起動時の圧力上昇を防ぐために、前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器出口側と蒸発器を結ぶCO2回収ライン53と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器(後記)を結ぶ安全弁若しくは圧力調整弁31が介装された圧力逃がしライン30を設け、冷却器内圧力が所定圧力以上の場合に安全弁若しくは圧力調整弁31が開き圧力逃がしライン30を介してCO2圧力を逃がすように構成している。
図2(B)はトップフィード方式の冷却器を接続した例である。
この場合も起動時の圧力上昇を防ぐために、前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器出口側と蒸発器を結ぶCO2回収ラインと別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器(後記)を結ぶ安全弁若しくは圧力調整弁31が介装された圧力逃がしライン30を設けている。
図2(C)は蒸発器出口側に給送路52上に複数のポンプ5を設け、夫々独立してボトムフィードの冷却器6との間で強制循環可能に構成してある。
このように構成すれば冷却器毎の高低差や距離が大きく異なる場合でもそれに適した強制循環容量に設定できるが、いずれも前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるCO2が液若しくは気液混合状態で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を冷却器側の必要循環量の2倍以上に設定する必要がある。
図2(D)はボトムフィード方式の冷却器を接続した例である。
この場合もボトムフィードの冷却器6の場合にガス化されたCO2による無用の圧力上昇を防ぐため、起動時の圧力上昇を防ぐために、前記冷却器出口側と蒸発器を結ぶCO2回収ライン53と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器(後記)を結ぶ安全弁若しくは圧力調整弁31が介装された圧力逃がしライン30を設けている。
Aは、アンモニア冷凍サイクル部とアンモニア/CO2熱交換部が組み込まれたマシンユニット(CO2ブライン生成装置)、Bは冷却負荷をマシンユニット側で液冷却したCO2ブラインを利用してその蒸発潜熱により負荷を冷却(冷凍)するフリーザユニットである。
次にマシンユニットの構成について説明する。
1はアンモニア冷凍機(圧縮機)で、該冷凍機1で圧縮されたガスは、エバコン式凝縮器2で凝縮された後、その液アンモニアを膨張弁23で膨張させ、ついでライン24を介してCO2ブライン冷却用蒸発器3でCO2と熱交換させながら蒸発させて再度冷凍機1に導入してアンモニア冷凍サイクルを構成する。8は膨張弁23出口側とCO2ブライン冷却用蒸発器3入口側間のライン24をバイパスさせたバイパス管に接続させた過冷却器8で、CO2液溜器4内に内蔵されている。
7はアンモニア除害水槽で、エバコン式アンモニア凝縮器2を散布した水をポンプ26を介して繰り返し循環している。
CO2ブラインは断熱継手10を介してフリーザユニットB側からCO2ガスを回収した後、CO2ブライン冷却用蒸発器3に導き、アンモニア冷媒との熱交換によりCO2を冷却凝縮した後、該凝縮した液CO2を液溜器4に導き、該液溜器4内で過冷却器8により飽和点より−4〜−5℃低い温度で過冷却する。
そして過冷却された液CO2は、インバータモータ51により給送路52上の回転数可変な液ポンプ5を介して断熱継手10よりフリーザユニットB側に導く。
9は液ポンプ5出口側とCO2ブライン冷却用蒸発器3をバイパスするバイパス通路、11はアンモニア除害ラインで、開閉弁を介してCO2ブライン冷却用蒸発器3よりの液若しくは液ガス混合CO2をアンモニア冷凍機1と対面する位置等のアンモニア漏洩区域に放出する除害ノズル91と接続している。
12は中和ラインで蒸発器3よりのCO2を除害水槽7に導入してアンモニアを炭酸アンモニアへと中和させて除害している。
13は消火ラインで、ユニット内で火災等が発生した場合は、その温度上昇を検知して開放する温度検知バルブもしくは蒸発器内のCO2系統の異常圧力上昇を検知する安全弁等で構成されたバルブ131を開いてノズル132よりCO2を噴射させて消火を行う。
14はCO2放出ラインで、CO2ブライン冷却用蒸発器3よりの液CO2を液溜器4を巻回した自冷装置15を介してバルブ151を開放してユニットA内に放出して該ユニット内が温度上昇した場合の自冷を行う。そして前記バルブ151は負荷運転停止中に蒸発器内圧力が規定圧力以上に上昇した場合に開放される安全弁で構成されている。
フリーザユニットBは被冷凍品を搬送するコンベア25の上方にCO2ブライン冷却器6がコンベア搬送方向に沿って複数個配設されており、断熱継手10を介して導入された液CO2を冷却器6で一部蒸発(液若しくは液気混合状態)して、その冷気をクーラファン29により被冷凍品27にむけて噴射する。
クーラファン29はコンベア25に沿って複数配列され、インバータモータ261により回転制御可能に構成されている。
クーラファン29と冷却器6の間にはデフロスト熱源に接続されたデフロスト散布ノズル28が介装されている。
そして冷却器により一部CO2が蒸発して気液混合CO2は断熱継手10よりマシンユニット内のCO2ブライン冷却用蒸発器に戻され、CO2二次冷媒サイクルが構成される。
又前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器には夫々一部がガス化されたCO2による無用の圧力上昇を防ぐため、起動時の圧力上昇を防ぐために、前記冷却器出口側と蒸発器を結ぶCO2回収ラインと別個に冷却器6と蒸発器3若しくはその下流側の液溜器4を結ぶ安全弁若しくは圧力調整弁31が介装された圧力逃がしライン30を設けている。
図3及び図4のT1は液溜器内CO2液温を検知する温度センサ、T2はフリーザユニット入口側のCO2温度を検知する温度センサ、T3はフリーザユニット出口側のCO2温度を検知する温度センサ、T4はフリーザユニット内庫内温度を検知する温度センサ、又P1は液溜器内圧力を検知する圧力センサ、P2は冷却器圧力を検知する圧力センサ、P3はポンプ差圧を検知する圧力センサ、CLは液ポンプインバータモータ51とクーラファンインバータモータ261制御用のコントローラ、20は過冷却器8へアンモニアを供給するバイパス管81の開閉制御弁、21は液ポンプ出口側のバイパスライン9の開閉制御弁である。
本実施例はCO2液溜器4のCO2圧力と液温を計測するセンサT1,P1よりの信号に基づいて、飽和温度と実測液温を比較して過冷却度を演算するコントローラCLを設けてバイパス管81に導入するアンモニア冷媒の量を調整可能に構成しており、これにより液溜器4内のCO2温度は飽和点より−4〜−5℃低く制御されている。
尚、過冷却器8は必ずしも液溜器4の内部ではなく、外部に独立して設けてもよい。
このように構成することにより液溜器4の液の全量もしくは一部を、液溜器4の内部もしくは外部に装備したCO2液を冷却する過冷却器8で安定した過冷却度を確保できる。
又前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器6の内部圧力を検知する圧力センサP2の信号は液ポンプ5の送液量を可変させるインバータモータ51を制御するコントローラCLに入力されて、(間欠給液や連続可変を含む)インバータ制御により安定給液を行う。
更に前記圧力センサP2の信号はフリーザユニットB内のクーラファン29の送風量を可変するインパータモータ261のコントローラCLにも入力されて、液ポンプ5とともにクーラファン29のインバータ制御によりCO2液の安定給液を行うように構成されている。
又前記CO2ブラインをフリーザユニットB側に給送する液ポンプ5は、冷却負荷側(フリーザユニット側)が必要とするCO2ブライン循環量の3〜4倍のポンプ容量を持たせて強制循環を行うとともに、該ポンプ5のインバータモータ51を利用して冷却器6に液CO2を満たし管内の液CO2速度を上昇させ伝熱性能を向上させている。
さらに、冷却負荷の必要循環量の3〜4倍のポンプ容量を持つ容量可変式(インバータモータ付き)ポンプ5によって液CO2の強制循環を行うために、冷却器6が複数台の場合においても該冷却器6への液CO2の分配を良くすることができる。
更に液ポンプ5の起動時や冷却負荷変動時に過冷却度が低下した場合、ポンプの差圧が低下してキャビテーション状態になった場合は、まず前記ポンプの差圧を検知する圧力センサP3が、ポンプ5の差圧が低下したことを検知し、コントローラCLが液ポンプ出口側のバイパスライン9の開閉制御弁21を開放してポンプ5からCO2ブライン冷却用蒸発器3へのバイパスを行うことにより、キャビテーション状態にある液ガス混合CO2ガスを液化することができる。
又前記制御はアンモニア冷凍サイクル側で行うこともできる。
すなわち、液ポンプ5の起動時や冷却負荷変動時に過冷却度が低下してポンプ5の差圧が低下してキャビテーション状態になった場合、圧力センサP3がポンプの差圧が低下したことを検知し、これをコントローラCL側で早期復帰のために冷凍機(容積型圧縮機)の制御弁33を利用して強制アンロードさせ、CO2の飽和温度を擬似的に上昇させ過冷却度を確保するようにしてもよい。
まずアンモニアサイクル側の冷凍機1を運転し、蒸発器3及び液溜器4の液CO2を冷却運転しておく。この状態で液ポンプ5はポンプ差圧を見ながら起動時は間欠/周波数運転を行う。
具体的には0→100%→60%→0→100%→60%である。このように構成することによりポンプ差圧が設計圧力以上になるのを防ぐことができる。
具体的には液ポンプを100%で運転して、ポンプ差圧が運転全負荷(ポンプヘッド)に達したら60%に落とし、更に液ポンプの運転を所定時間停止してその後100%運転を行い、ポンプ差圧が運転全負荷(ポンプヘッド)に達したら60%に落とし更にその後インバータ周波数(ポンプ回転数)を増加させながら定常運転に移行する。
このように構成することで前記液ポンプ強制循環量を前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器6側の必要循環量の2倍以上に、好ましくは3〜4倍に設定した場合でも起動時は常温から運転するために、無用な圧力上昇が起こり、ポンプ設計圧力を超えてしまう恐れを解消できる。
更に凍結作業が終了し、フリーザユニットを消毒する際は、フリーザユニットB内のCO2をマシンユニット側の蒸発器3を通じて液溜器4に回収する必要があるが、この場合はフリーザユニットBの冷却器の入口側液CO2温度と出口側のガスCO2の温度を温度センサで計測し、前記CO2液回収時に前記2つの温度センサT2,T3の検知温度差をコントローラCLで把握して、フリーザユニットB内のCO2残量を判断ながら回収制御を行うことができる。すなわち前記温度差がなくなれば回収が終了したと判断する。
又前記CO2回収制御は、庫内温度検知センサT4と冷却器6側の圧力センサP2でCO2圧力を検知し、そのCO2圧力の飽和温度と庫内温度をコントローラで比較して前記飽和温度と庫内温度の差に基づいて庫内のCO2残量がなくなったと判断することも可能である。
又冷却器が、散水デフロスト方式のクーラの場合、散水の熱量を利用してCO2の回収時間を短縮するように制御することができるが、この場合に冷却器6側の圧力センサP2にてCO2の圧力を監視して散水熱量を調整するデフロスト制御を行うのがよい。
更に、フリーザユニットBは食品の凍結を行うために、各作業終了時に高温殺菌する場合がある、このとき温度が配管を伝わってマシンユニットA側のCO2の連絡管全体を昇温しないようフリーザユニットBの接続部に強化ガラス等の低伝熱性の断熱継手を使用したCO2連絡管で構成している。
図6に示すように、本発明のアンモニア冷却ユニットAは、屋外に設置され、該ユニットよりのCO2冷熱を屋内に設置した前記フリーザユニットのような負荷にCO2冷熱を伝達する。上記アンモニア冷却ユニットAは、下段構造体56と上段構造体55よりなる2段階構造体を形成する。下段構造体56には機械側を構成するエバコン回りをのぞくアンモニア系統とCO2系統が内蔵され、上段構造体55には、ドレーンパン62と、エバコン2と外部ケーシング65及び空冷ファン63などが取り付けられている。上記エバコン2は傾斜多管式熱交換器60と、散水部61と、段差状に並列配置されたエリミネータ64、空冷ファン63とより構成され、前記空冷ファン63により外部ケーシング65に設けた空気導入口69よりエバコン下方から熱交換器60に導入される冷却空気とともに、該熱交換器60内で散水による除害処理を行ない、前記冷却空気により前記傾斜冷却管内を流れる高圧高温アンモニアガスの凝縮を行うようにしたものである。
なお、前記傾斜多管式熱交換器60は両サイドの併設直立管板60a、60bを貫通し、集合用ヘッダ60c、60dとを結合する複数の傾斜冷却管60gよりなり、入口側のヘッダ60cより下流の出口側ヘッダ60dに向け下向き傾斜にしている。該傾斜構造により、入口側ヘッダ60cに導入された冷媒ガスは下流の出口側ヘッダ60dに到達する過程で後記する冷却空気及び散水による冷却により凝縮液化し液冷媒を形成するが、管内壁に形成された液膜は一ヶ所に流れを停止することなく下流の出口側ヘッダ60dへ移動する。そのため前記傾斜冷却管60gにおいては、高熱伝達効率のもとに冷媒ガスは凝縮し、冷媒の当該熱交換器内に在留する時間の短縮が図られ、当該熱交換器の使用により凝縮効率の向上と大幅な冷媒保有量の削減を図ることができる。
又入口ヘッダ60cは図7(C)に示すように、断面半円状のヘッドで構成するとともに、アンモニア圧縮ガス導入口67と対面する位置に多孔板からなる衝突板66が取り付けられている。これにより前記導入口67より導入されたアンモニアガスが、多孔板からなる衝突板66に衝突してその背面側に位置する冷却管は多孔板の孔から、又側方に位置する冷却管60gは、衝突板66に衝突してヘッド軸線方向に沿って側方に分散されて傾斜多管式熱交換器60内に均等に流すことができる。
また、前記散水部61よりの冷却水を受けるドレーンパン62は前記傾斜多管式熱交換器の下方に設け、前記下段構造体56と上段構造体55の境界を形成し、前記冷却水がドレーンパン62内に流れの停止による液の溜まりを形成することなく下段構造体の除害水槽7へ排出させるべく、排水管(不図示)に向け底板形状を漏斗状に構成してある。
散水管61の上方の空冷ファン63との間に位置するエリミネータ64は外部ケーシング65全幅にわたって複数配列され、並列配置した複数のエリミネータ64A、64Bの隣接するエリミネータ同士が、該エリミネータ64の側壁上側と他のエリミネータ64の側壁下側間が、互いに対面するごとく段差を持たせて形成する。そして前記段差はエリミネータの高さの半分程度、具体的には50mm程度の段差を持って形成している。また、AとAaとの間が接続され、BとBbとの間が接続されている。
この結果図8に示すように、前記散水管61で生成した水滴68は、段差で下側に位置する隣のエリミネータ側壁64aに衝突することで、側壁64aの枠に集まった水滴が大きくなっていくことで、ファン61により吸引されずに上への飛散を防止できる。
尚、図8は空冷ファン63を複数配置した実施例である。
又本発明によれば、CO2サイクル側の冷却器の位置、種類(ボトムフィード型、トップフィード型)及びその数、更には蒸発器と冷却器間に高低差を有する場合でも円滑にCO2循環サイクルが形成できる。
更に本発明によれば、エバコンを用いてアンモニア冷却ユニットを構成し、その凝縮部とファン間にエリミネータを配設した場合に、ファンによりエリミネータを通過する際の圧損を低減できるアンモニア冷却ユニットを提供できる。
又本発明によれば、アンモニア系統と二酸化炭素系統の一部をユニット化して収納してアンモニア冷却ユニットを構成した場合に、そのアンモニア系統が収納された空間内にアンモニアが漏洩した場合においても、毒性のあるアンモニア漏洩やアンモニア引火による火災を容易に防止できる。
2 凝縮器
3 CO2ブライン冷却用蒸発器
5 液ポンプ
6 蒸発機能を有する冷却器
7 アンモニア除害水槽
8 過冷却器
B フリーザユニット
31 圧力調整弁
30 圧力逃がしライン
52 給送路
6 冷却器
Claims (16)
- アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO2の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO2を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えた冷凍システムにおいて、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるCO2が液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を設定し、
更に、前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器出口側と蒸発器を結ぶCO2回収経路と別個に冷却器と蒸発器若しくはその下流側の液溜器を結ぶ圧力逃がし経路を設け、冷却器内圧力が所定圧力以上の場合に圧力逃がし経路を介してCO2圧力を逃がすことを特徴とする冷凍システム。 - 前記不完全蒸発機能を有する冷却器がトップフィード型であることを特徴とする請求項1記載の冷凍システム。
- 前記ポンプが間欠運転又は/及び回転数可変の駆動機に連結されているポンプであることを特徴とする請求項1若しくは2記載の冷凍システム。
- ポンプ起動時に間欠運転と回転数可変制御を組み合わせてポンプ吐出圧力を設計圧力以下で運転し、その後回転数可変制御で運転を行うことを特徴とする請求項3記載の冷凍システム。
- アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO2の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO2を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えた冷凍システムにおいて、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるCO2が液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を設定し、
更に、前記冷凍負荷が前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器を内蔵する冷却設備である場合に、冷却設備庫内温度と冷却器出口側のCO2圧力を検知し、その圧力に基づくCO2飽和温度と庫内温度を比較して冷却器内のCO2残量を判断しながら冷却器ファン停止時期を判断するCO2回収制御を行うことを特徴とする冷凍システム。 - アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO2の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO2を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えた冷凍システムにおいて、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、前記冷凍負荷側の冷却器出口より回収されるCO2が液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)で回収されるように、前記液ポンプ強制循環量を設定し、
更に、前記冷凍負荷がデフロスト方式の前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器を内蔵する冷却設備である場合に、CO2回収制御時にデフロスト散水を行いながらCO2回収を行うことを特徴とする冷凍システム。 - 前記液若しくは気液混合状態(不完全蒸発状態)での蒸発機能を有する冷却器出口側のCO2圧力を検知し、その圧力に基づいて前記散水量を制御することを特徴とする請求項6記載の冷凍システム。
- 前記ポンプ吐出側の給送ラインと冷却負荷との接続部に、断熱継手が介装されていることを特徴とする請求項1、6、7いずれか1記載の冷凍システム。
- アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO2の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO2を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたCO2ブライン生成装置において、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、該液ポンプが冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御されるとともに、前記冷却液化後のCO2を液溜する液溜器若しくは給送ラインの過冷却状態に基づいて液溜器の液CO2の少なくとも一部を過冷却する過冷却器とを設け、前記液溜器の過冷却状態の判断が、前記冷却液化後のCO2を液溜する液溜器の圧力と液温を計測して、前記圧力に基づく飽和温度と実測液温を比較して過冷却度を演算するコントローラによりおこなわれることを特徴とするCO2ブライン生成装置。 - 前記液ポンプの入口/出口間の差圧を検知する圧力センサを設け、前記給送ラインの過冷却状態の判断が前記圧力センサの検知信号によりおこなわれる請求項9記載のCO2ブライン生成装置。
- 前記過冷却器が、アンモニア冷凍サイクルの蒸発器導入側ラインを分岐若しくはバイパスしてなるアンモニアガスラインである請求項9記載のCO2ブライン生成装置。
- アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO2の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO2を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたCO2ブライン生成装置において、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、該液ポンプが冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御されるとともに、前記液ポンプ出口側と一部蒸発機能を有する冷却器間を、開閉制御弁を介してバイパスするバイパス通路を設けたことを特徴とするCO2ブライン生成装置。 - アンモニア冷凍サイクルと、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO2の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO2を冷却負荷側に給送する給送ライン上に液ポンプを備えたCO2ブライン生成装置において、
前記液ポンプが給液量可変型の強制循環ポンプであって、該液ポンプが冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御されるとともに、液ポンプの入口/出口間の差圧検知結果に基づいてアンモニア冷凍サイクルの冷凍機を強制アンロードするコントローラを備えていることを特徴とするCO2ブライン生成装置。 - アンモニア冷凍圧縮機と、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO2の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO2を冷却負荷側に給送する液ポンプを1のユニット空間内に配設したCO2ブライン生成用アンモニア冷却ユニットにおいて、
前記液ポンプを、冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御される給液量可変型の強制循環ポンプで構成するとともに、前記ユニット空間内にアンモニア除害水槽を設け、前記ユニット空間内に位置するCO2系統内のCO2を除害水槽に導く中和ラインを設けたことを特徴とするアンモニア冷却ユニット。 - アンモニア冷凍圧縮機と、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO 2 の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO 2 を冷却負荷側に給送する液ポンプを1のユニット空間内に配設したCO 2 ブライン生成用アンモニア冷却ユニットにおいて、
前記液ポンプを、冷却負荷側に設けたCO 2 冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御される給液量可変型の強制循環ポンプで構成するとともに、前記前記ユニット空間内に位置するCO 2 系統内のCO 2 をユニット空間内に放出させるCO 2 噴出部を設け、該CO2噴出部が、前記冷却液化後のCO2を液溜する液溜器若しくは給送ラインの過冷却状態に基づいて液溜器の液CO2の少なくとも一部を過冷却する過冷却器を経由する噴出ラインを介して形成されて、該噴出部の開閉制御が前記ユニット空間内の温度若しくはCO 2 系統の圧力に基づいておこなわれることを特徴とするアンモニア冷却ユニット。 - アンモニア冷凍圧縮機と、そのアンモニアの蒸発潜熱を利用してCO2の冷却液化を行う蒸発器と、前記蒸発器で冷却された液化CO2を冷却負荷側に給送する液ポンプを1のユニット閉空間内に配設し、一方アンモニア冷凍圧縮機で圧縮したアンモニア圧縮ガスを凝縮するエバコン型凝縮器を開放空間側に配設し、該凝縮器を冷却管からなる熱交換器、散水器、並列配置した複数のエリミネータ及びファンにより構成してなるCO2ブライン生成用アンモニア冷却ユニットにおいて、
前記ユニット空間内の液ポンプを、冷却負荷側に設けたCO2冷却器の温度と圧力若しくは前記ポンプ入口/出口間の差圧の少なくとも1の検知信号によって可変制御される給液量可変型の強制循環ポンプで構成するとともに、並列配置した複数のエリミネータの隣接するエリミネータ同士が、該エリミネータの側壁上側と他のエリミネータの側壁下側間が、互いに対面するごとく段差を持たせて形成し、
前記冷却管を、アンモニア圧縮ガスが導入される導入口と連接する入り口側をヘッダで集合させた傾斜多管式熱交換器で構成するとともに、前記導入口と対面するヘッダ側に衝突板を配置したことを特徴とするCO2ブライン生成用アンモニア冷却ユニット。
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