JP4265913B2

JP4265913B2 - 冷却除湿システム

Info

Publication number: JP4265913B2
Application number: JP2003009967A
Authority: JP
Inventors: 英文斎藤; 進末田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: JP2004219020A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却機能と除湿機能とを備え、例えば業務用厨房や食品加工工場等において食材等を冷却したり屋内空気の湿度を低減したり機材を乾燥するのに適した冷却除湿システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
業務用厨房や食品加工工場等では、食材の加熱処理や、その他の処理に温水を利用することに伴って大量の水蒸気が発生する場合が多い。その水蒸気により屋内の湿度が上昇すると細菌やカビの繁殖しやすい条件になる。細菌やカビの繁殖は食品を劣化させる。そこで、水蒸気等による屋内の湿度上昇を抑え、短時間で低湿度状態に復帰できるように、冷却能力の高い空調装置が導入されている。
【０００３】
また、業務用厨房や食品加工工場等では、加熱処理に伴なう大量の水蒸気発生は間欠的なものであるのに対して空調装置は常時運転されるため、空調装置の負荷は大きく変動する。このため、空調装置の能力を水蒸気発生のピークに対応させると、水蒸気の潜熱負荷が大きく空調装置が巨大化する。そこで、空調装置が巨大化しないように、水蒸気発生後に時間をかけて湿度を低下させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、時間をかけて湿度を低下させた場合、屋内の壁面や天井の表面に付着した埃が湿分を吸って湿潤状態になり、細菌やカビの繁殖が起こり易くなる。特に天井において埃が湿潤状態になると汚染物質が降り注ぐため、これを除去する必要があるが、湿潤となった埃は除去しづらくなるという問題があった。また、業務用厨房においては、食器や調理機器などの機材も水分が付着したままで保管されると、付着した水分が腐敗して雑菌が繁殖する可能性があるため、洗浄後は乾燥保管されなければならない。そのため、加熱処理等の直後に大量に発生する屋内水蒸気を急速に除去したり、保管されている食器を乾燥状態に維持することが望まれている。
【０００５】
さらに、業務用厨房や食品加工工場等では、食材を加熱処理した後に急速冷却することで、食材の中で細菌が繁殖する温度域に滞留する時間を極力短くし、食材内での細菌の繁殖を抑えている。そのため、加熱処理された食材を急速に冷却する冷却装置が用いられている。そのような冷却装置における冷媒として用いられているフロン系の冷媒は、オゾン層を破壊しないＨＦＣ系冷媒でも温暖化係数は高く、今後はなるべく使用しないという動きが出ている。このため、なるべく環境に優しい自然冷媒を使うことが重要になりつつある。しかしながら、従来のフロン系冷媒は、熱サイクルのＣＯＰが高い、万一漏れても火災や爆発の原因にならない、毒性がない、熱サイクルでの圧力が低く扱い易い等の長所を持っている。従来、フロン系冷媒以外の冷媒によっては、それら長所を有する熱サイクルを構築できなかった。
本発明は上記問題を解決することのできる冷却除湿システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷却除湿システムは、空気を大気圧未満に膨張させて冷却する膨張手段と、その膨張空気が導入されると共に、その膨張空気に直接晒されるように冷却対象物を収容する減圧容器と、前記減圧容器内の膨張空気を吸引して圧縮することで昇温させる圧縮手段と、水分吸着機能を有すると共に加熱されることで再生される水分吸着剤を有する空気乾燥手段と、前記圧縮手段により圧縮されることで昇温された空気の熱量を、前記水分吸着剤の再生に利用する手段と、前記圧縮手段により吸引される空気の噴流を生成することで、前記減圧容器から空気を吸引可能なエゼクタとを備え、前記水分吸着剤により水分吸着される空気は、前記膨張手段に導かれる状態と大気中に放出される状態とに切り換え可能とされ、前記減圧容器内の空気は、前記圧縮手段により直接に吸引される状態と前記エゼクタを介して吸引される状態とに切り換え可能とされ、前記水分吸着剤により水分吸着された空気が前記膨張手段に導かれる状態では、前記減圧容器内の空気は前記圧縮手段により直接に吸引される状態とされ、前記水分吸着剤により水分吸着された空気が大気中に放出される状態では、前記減圧容器内の空気は前記エゼクタを介して吸引される状態とされる。
本発明によれば、膨張手段と圧縮手段により空気を冷媒とする冷凍サイクルを構成し、膨張手段により空気をほぼ断熱膨張させることで得た冷気を、減圧容器に収納した冷却対象物に減圧下で吹き付けることができる。その減圧容器内の膨張空気を圧縮手段により吸引して圧縮することで、減圧容器内の減圧状態を維持できる。冷却対象物の冷却速度を高めるため、吹きつける空気温度は低く設定されるため、フロン系冷媒を用いたサイクルであっても到達温度がこのように低い場合は蒸発器と凝縮器との温度差が大きくＣＯＰが小さくなるので、空気冷媒を用いた場合でもフロン系冷媒を用いた場合と同様のＣＯＰを達成できる。また、水分吸着剤を有する空気乾燥手段により、屋内空気の湿分や間欠的に発生する水蒸気を吸着できる。例えば、シリカゲル等の粒子を収納したロータや乾燥剤容器に除湿対象空気を通過させればよい。水分吸着により水分吸着機能を喪失した水分吸着剤を高温空気により加熱することで、吸着水分を放出させて水分吸着機能を再び奏するように再生できる。その水分吸着剤の再生空気として圧縮手段により圧縮されることで昇温された空気を利用できる。例えば、減圧容器内の圧力を、約３０ｋＰａ（０．３気圧）程度に設定すると、膨張後の空気温度は−２０℃以下のものが容易に得られ、食材等の急速冷却に好都合の高速空気流が得られ、加熱調理後の食材等に−１０℃以下の低温空気として吹き付けて急速冷却できる。また、圧縮後の空気を１４０℃以上にし、水分吸着剤の再生に必要な温度の空気を容易に得ることができる。
【０００７】
その空気の膨張時に得られる膨張仕事を、その圧縮手段の圧縮動力の一部として利用し、残りの圧縮動力をモータやエンジンなどの外部動力で賄うのが好ましい。その膨張手段を構成する膨張タービンのロータと圧縮手段を構成する遠心コンプレッサのロータを同行回転するように機械的に一体化するのが好ましい。例えば、膨張タービンと遠心コンプレッサを一体化する部位にモータのロータを組込むことで機器を小型化できる。
【０００９】
なお、圧縮手段により圧縮されることで昇温された空気を、水分吸着剤に直接送り込んで再生空気として利用してもよい。この場合、空気サイクルは開サイクルになるため、冷却対象物に吹き付けられる空気は常時新たに取込まれる外気となる。その外気が清浄でない環境においては、埃や雑菌を取り込まないように多層フィルター等を介して外気を取込むのが好ましい。
【００１０】
膨張手段と圧縮手段により構成される空気サイクルを開サイクルにする場合、前記水分吸着剤により水分吸着された空気を前記膨張手段に導く手段を備えるのが好ましい。これにより、膨張手段により断熱膨張させた空気中の水分が凝結することはないので霧状の氷粒の発生を防止できる。
【００１１】
そのエゼクタにより減圧容器内の真空度を大きくし、１００℃に近い食材等の高温冷却対象物は、ある程度の温度に至るまでの冷却は、冷却対象物の内部からの水分蒸発を促して急速冷却を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に示す第１比較例の冷却除湿システムは、エアサイクル装置１とデシカント装置４を備える。エアサイクル装置１においては、減圧容器２内に設置された膨張タービン１１により空気を大気圧未満に膨張させて冷却する。減圧容器２の内部には食材の入った多数のパン（食材容器）３が積層状に収納され、その膨張空気に直接晒されるように冷却対象物を収容できる。膨張タービン１１の出口ダクト１１ａから吹き出した膨張空気は冷気として減圧容器２に導入され、減圧容器２内に設置されたエゼクタ効果のあるダクト２１により減圧容器２内の空気と混合され、ダクト２１から吹き出されることで減圧容器２内で図中矢印で示すように循環する。減圧容器２内には、その冷気がうまく循環するための流路を構成する仕切り板２２が設けられている。
【００１４】
減圧容器２においてパン３を通過して食材を冷却した冷気の一部は、減圧容器２内に設置された遠心コンプレッサ１２に入り、遠心翼車によって圧縮されることで昇圧されると共に昇温される。遠心コンプレッサ１２は、膨張タービン１１と同行回転するようにシャフト１３を介して機械的に一体化され、膨張タービン１１における空気の膨張エネルギにより駆動される。
【００１５】
遠心コンプレッサ１２により圧縮された空気は、配管を介して屋外に設置されたブロワ１４に送られて昇圧されると共に昇温される。すなわち、遠心コンプレッサ１２とブロワ１４により減圧容器２内の膨張空気を吸引して圧縮することで昇温させる圧縮手段が構成される。ブロワ１４は、図ではモータ１４ａによって２個のロータ１４ｂが駆動されるルーツ型を採用しているが、スクリュー型や遠心型、軸流型であってもよい。
【００１６】
ブロワ１４はコントローラ５１に接続され、コントローラ５１は減圧容器２内部の圧力や食材温度を計測するセンサ群により構成される計測装置５２からの計測信号に応じてブロワ１４を制御する。これにより膨張タービン１１と遠心コンプレッサ１２が駆動され、減圧容器２内の温度と圧力が制御される。例えば、１０１ｋＰａの大気圧、約３５℃の空気が膨張タービン１１において膨張することで、３０ｋＰａ（０．３気圧）、約−３０℃の冷気が発生するように設定される。その冷気が、ダクト２１にエゼクタ効果により吸引される減圧容器２内の循環空気と混合されることで約−２０℃になり、ダクト２１から放出される。その約−２０℃の冷気が減圧容器２内で循環し、パン３の通過時に食材を冷却することで約−１０℃となり、一部はダクト２１にエゼクタ効果により吸引され、一部は遠心コンプレッサ１２に入る。遠心コンプレッサ１２に入った約−１０℃の空気は、遠心コンプレッサ１２により約５０ｋＰａ（０．５気圧）に昇圧されると共に約４０℃に昇温される。ブロワ１４は、遠心コンプレッサ１２により約５０ｋＰａ（０．５気圧）、約４０℃に昇圧、昇温された空気を、ほぼ１０１ｋＰａの大気圧、約１５０℃まで昇圧、昇温する。この空気は熱交換器１５で取り込まれた外気と熱交換されることで約３５℃まで冷却され、しかる後に膨張タービン１１で再び膨張される。
【００１７】
デシカント装置４は水分吸着機能を有すると共に加熱されることで再生される水分吸着剤を有する空気乾燥手段と、上記圧縮手段により圧縮されることで昇温された空気の熱量を、その水分吸着剤の再生に利用する手段とを構成する。すなわちデシカント装置４は、水分を吸着し、吸着時よりも温度が上昇することで吸着した水分を放出するシリカゲル等の水分吸着剤により構成される吸着部８３を有する。ファン４１によりフィルタ４５を通して送り込まれる除湿対象の屋内空気が、配管により構成される空気流路Ｐ１を介してデシカント装置４に送り込まれる。また、上記圧縮手段により圧縮されることで昇温された空気と熱交換器１５おいて熱交換された空気が、ファン４４により、空気流路Ｐ２を介して吸着部８３の水分吸着剤に吸着剤再生空気として送り込まれる。その吸着剤再生空気は、熱交換器１５における熱交換により例えば約１３５℃に昇温される。
【００１８】
デシカント装置４は回転ドラム８０を有し、図２に示すように、回転ドラム８０の内部に、その回転軸方向に延びる多数の吸着部８３がハニカム状に設けられ、各吸着部８３内にシリカゲル等の吸着剤が充填されている。回転ドラム８０の両端面にセパレータ８１が相対回転可能にシール部材（図示省略）を介して接合されている。各セパレータ８１は、外輪８１ａと内輪８１ｂとを２本のアーム８１ｃにより接続することで構成され、内輪８１ｂにより回転ドラム８０の中心シャフト８０ａが軸受（図示省略）を介して回転可能に支持される。中心シャフト８０ａにモータ８２が接続され、モータ８２がコントローラ５１からの信号により駆動されることで回転ドラム８０は回転する。各セパレータ８１における外輪８１ａと内輪８１ｂとの間は、２本のアーム８１ｃにより２つの領域８１ｄ、８１ｅに区画されている。一方の領域８１ｄは配管継手８４を介して除湿対象の屋内空気の空気流路Ｐ１に接続され、他方の領域８１ｅは配管継手８５を介して吸着剤再生空気の空気流路Ｐ２に接続される。これにより、回転ドラム８０の回転により、各吸着部８３を屋内空気の空気流路Ｐ１に接続する状態と吸着剤再生空気の空気流路Ｐ２に接続する状態とに切替える空気流路切替機構が構成されている。なお、回転ドラム８０を通過する除湿対象空気量と吸着剤再生空気量の比は、例えば３：１程度とする。
【００１９】
デシカント装置４を通過することで除湿された屋内空気は、除湿時に昇温することから放熱器４３で放熱され、しかる後に乾燥空気として屋内に戻される。例えば、２５℃で１５ｇ／ｋｇＤＡ（湿度７５％）の屋内空気は、デシカント装置４を通過する結果、約６５℃で３ｇ／ｋｇＤＡの空気になり、放熱器４３での冷却後は約３５℃で３ｇ／ｋｇＤＡの空気となる。この空気は湿度９％と低湿度のため、屋内空気の水分を低減できる。特に加熱調理に伴って大量の湯気が存在する場合は、この低湿度の空気と混合することで水分は再蒸発し、湿度は多少増加するが、空気の温度を下げる効果も得られる。屋内空気の水分を吸着したデシカント装置４における吸着剤は、熱交換器１５から送られてくる高温空気により再生され、その再生空気は外気中に放出される。
【００２０】
上記冷却除湿システムを業務用厨房で食材の加熱調理後に作動させることによって、食材を急速に冷却し、細菌が繁殖する温度域を短時間で通過させることで、食材内部の細菌の繁殖を抑え、安全な食材の提供を可能にする。また、デシカント装置４により屋内空気が含む水蒸気を急速に除去でき、屋内空間での細菌やカビの繁殖を防止できる。すなわち、食材の加熱処理直後に必要な急速冷却と屋内除湿に同時に対応でき、効果的な運用形態が実現できる。
【００２１】
図３は第２比較例のエアサイクル装置１を示す。上記第１比較例においては、膨張タービン１１と遠心コンプレッサ１２により構成される空気冷凍サイクルはクローズ型であったが、本比較例ではオープン型とされ、膨張タービン１１に外気が送り込まれる。なお、外気中の塵埃が食品に至らないように、膨張タービン１１に入る外気はフィルタ１６を通過する。また、本比較例においては上記第１比較例における熱交換器１５はなく、ブロワ１４から送り出される空気がデシカント装置４の水分吸着剤に再生空気として直接に送り込まれる。他は上記第１比較例と同様で同一部分は同一符号で示す。
【００２２】
図４は本発明の実施形態のエアサイクル装置１を示す。
本実施形態の第２比較例との相違は、先ず、デシカント装置４における水分吸着剤により水分吸着された空気を膨張タービン１１に導く手段を備える点にある。これにより、膨張タービン１１に送り込まれる外気は除湿されるため、膨張時における水分結露がなく、霧状の氷の発生を防止できる。そのため、デシカント装置４における各セパレータ８１における外輪８１ａと内輪８１ｂとの間は、３本のアーム８１ｃにより３つの領域８１ｄ、８１ｅ、８１ｆに区画されている。一つの領域８１ｄは除湿対象の屋内空気の空気流路Ｐ１に接続され、別の一つの領域８１ｅは吸着剤再生空気の空気流路Ｐ２に接続され、さらに別の一つの領域８１ｆは膨張タービン１１に送り込まれる外気の空気流路Ｐ３に接続される。これにより、回転ドラム８０の回転により、各吸着部８３を屋内空気の空気流路Ｐ１に接続する状態と吸着剤再生空気の空気流路Ｐ２に接続する状態と外気の空気流路Ｐ３に接続する状態とに切替える空気流路切替機構が構成されている。
また、本実施形態においては、上記圧縮手段により吸引される空気の噴流を生成することで、減圧容器２から空気を吸引可能なエゼクタ１７を備え、パン３内における加熱処理直後の食材の粗熱の急速除去が可能とされている。すなわち、膨張タービン１１とデシカント装置４を接続する空気流路Ｐ３に切換弁１８ｂが設けられ、デシカント装置４を通過した空気を膨張タービン１１に送り込む状態と、屋内の大気中に放出する状態とに切り換え可能とされている。また、ブロワ１４は切換弁１８ａにより遠心コンプレッサ１２に接続される状態とエゼクタ１７の空気排出口１７ａに接続される状態とに切り換え可能とされ、遠心コンプレッサ１２と切換弁１８ａとを接続する配管は分岐されてエゼクタ１７の空気吸引口１７ｂに接続され、エゼクタ１７の空気導入口１７ｃは開閉兼絞り弁１８ｃを介して大気中に通じるものとされている。切換弁１８ａ、１８ｂと開閉兼絞り弁１８ｃはコントローラ５１からの信号によりタービン作動状態とエゼクタ作動状態とに切り換えられる。タービン作動状態においては、デシカント装置４を通過した空気が切換弁１８ｂを介して膨張タービン１１に送られ、遠心コンプレッサ１２から切換弁１８ａを介してブロワ１４に空気が送られ、エゼクタ１７の空気排出口１７ａと空気導入口１７ｃが閉鎖される。エゼクタ作動状態においては、デシカント装置４を通過した空気は切換弁１８ｂを介して屋内大気中に放出され、エゼクタ１７の空気導入口１７ｃから開閉兼絞り弁１８ｃを介して導入された空気は圧縮手段を構成するブロワ１４により吸引されることで噴流状態となり、減圧容器２内の空気は遠心コンプレッサ１２を介してエゼクタ１７の空気吸引口１７ｂから吸引され、噴流状態の空気と混合され、切換弁１８ａを介してブロワ１４に送られる。他は上記第１比較例と同様で同一部分は同一符号で示す。
【００２４】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施形態の冷却対象物は食材とされたが、食材以外であってもよい。また、上記実施形態においては、水分吸着剤によって水分を吸着する除湿対象の空気は屋内空気や乾燥槽内の空気とされたが、除湿の必要がある空気であれば特に限定されない。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、膨張後は冷却対象物を冷却するのに適した温度の空気を、圧縮後は水分吸着剤の再生に適した温度に必然的にでき、冷却対象物を冷却することで得られる熱量を水分吸着剤の再生に利用できるので、バランスが取れ、且つ、エネルギ的に有効な冷却除湿システムを提供でき、また、空気を冷媒とするため、フロン系冷媒のような環境問題や、炭化水素系冷媒のような火災や爆発の心配等もない。さらに、取扱い容易なように使用圧力をほぼ大気圧〜真空の間に設定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１比較例の冷却除湿システムの構成説明図
【図２】デシカント装置の構成説明図
【図３】第２比較例の冷却除湿システムの構成説明図
【図４】本発明の実施形態の冷却除湿システムの構成説明図
【符号の説明】
１エアサイクル装置
２減圧容器
４デシカント装置
１１膨張タービン
１２遠心コンプレッサ
１７エゼクタ

Claims

空気を大気圧未満に膨張させて冷却する膨張手段と、
その膨張空気が導入されると共に、その膨張空気に直接晒されるように冷却対象物を収容する減圧容器と、
前記減圧容器内の膨張空気を吸引して圧縮することで昇温させる圧縮手段と、
水分吸着機能を有すると共に加熱されることで再生される水分吸着剤を有する空気乾燥手段と、
前記圧縮手段により圧縮されることで昇温された空気の熱量を、前記水分吸着剤の再生に利用する手段と、
前記圧縮手段により吸引される空気の噴流を生成することで、前記減圧容器から空気を吸引可能なエゼクタとを備え、
前記水分吸着剤により水分吸着される空気は、前記膨張手段に導かれる状態と大気中に放出される状態とに切り換え可能とされ、
前記減圧容器内の空気は、前記圧縮手段により直接に吸引される状態と前記エゼクタを介して吸引される状態とに切り換え可能とされ、
前記水分吸着剤により水分吸着された空気が前記膨張手段に導かれる状態では、前記減圧容器内の空気は前記圧縮手段により直接に吸引される状態とされ、
前記水分吸着剤により水分吸着された空気が大気中に放出される状態では、前記減圧容器内の空気は前記エゼクタを介して吸引される状態とされる冷却除湿システム。