JP4473151B2

JP4473151B2 - 冷凍装置

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Publication number: JP4473151B2
Application number: JP2005025486A
Authority: JP
Inventors: 一成千種; 重俊岩切; 敏明濱崎
Original assignee: 日新興業株式会社
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-02-01
Also published as: JP2006214611A; CN1815108A; CN100513929C

Description

本発明は、冷凍装置、特に、冷媒にアンモニアを用いた冷凍装置に関するものである。

一般に、−６０℃を越える超低温冷凍装置としては、Ｒ２２などのＨＣＦＣ系冷媒を使用した二段圧縮冷凍装置が広く採用されている。特に、遠洋鮪漁船においては、凍結魚の鮮度保持のために冷凍室で−６０℃、魚倉で−５５〜−６０℃という超低温を、冷媒としてＲ２２を用いた二段圧縮冷凍装置によって実現している。

また、陸上の超低温冷蔵倉庫においては、冷媒としてＲ７１７／Ｒ２３あるいはＲ２２／Ｒ２３のなどの組み合わせによる二元冷凍装置によって実現している。

しかしながら、近年、オゾン層の破壊など、世界的規模の地球環境への関心の高まりから、ＨＣＦＣ系冷媒はもとより、その代替冷媒であるＨＦＣ系冷媒の使用も地球温暖化への影響が避けられないため、その使用が懸念されている。そのため、わが国においても、ＨＣＦＣ系冷媒については、２０１０年を目標に新規物件の全廃が決定しており、これに代わる冷媒を使用した超低温冷凍装置が要求されている。

一方、過去においては、冷媒としてアンモニアが盛んに用いられており、近年の地球温暖化対策として再び使用され始めている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１４６３２７号公報

ところで、アンモニアは、他の冷媒と比較して、圧縮工程での温度上昇が大きいという特性がある。例えば、現在の汎用冷媒であるＲ２２は、蒸発温度−１５℃、凝縮温度＋３０℃、吸入過熱度０℃で圧縮機吐出温度が約＋５５℃（単段圧縮の場合）であるのに対し、アンモニアは、蒸発温度−１５℃、凝縮温度＋３０℃、吸入過熱度０℃で圧縮機吐出温度が約＋９８℃（単段圧縮の場合）である。

一方、冷蔵庫内を−６０℃以下に冷却するには、まず、二段圧縮が考えられるが、−６０℃以下の庫内温度を得るには、蒸発温度を−７０℃以下にする必要があること、漁船の場合、熱帯地域で操業することも珍しくなく、その場合の凝縮温度は＋４０℃になること、により、圧縮機における各段の吸入ガスの過熱度が＋５℃で、低高段比率＝３：１の場合、圧縮機から吐出された冷媒ガス（アンモニアガス）の温度は＋１９２℃となる。

すなわち、冷媒としてのアンモニアの凝縮温度を＋４０℃、蒸発温度を−７０℃、圧縮機における各段の吸入ガスの過熱度を＋５℃とし、低高段比率＝３：１の条件で二段圧縮冷凍装置を運転した場合の断熱圧縮における圧縮過程の温度変化を示す図７のモリエル線図から明らかなように、高段圧縮後のアンモニアガスの吐出温度は、理論的に＋１９２℃（圧縮機付温度計で約＋１７２℃）となる。

冷凍装置においては、圧縮機の潤滑油も冷媒とともに装置内を循環するが、潤滑油は＋１７０℃（圧縮機付温度計で約＋１５０℃）以上の温度にさらされると変性をおこす。したがって、アンモニア二段圧縮冷凍装置において、凝縮温度＋４０℃で運転した場合、圧縮機吐出温度が潤滑油が変性しない＋１７０℃（圧縮機付温度計で約＋１５０℃）未満であるためには、蒸発温度は約−６０℃が限界となる。具体的には、凝縮温度を＋４０℃、蒸発温度を−６０℃、圧縮機における各段の吸入ガスの過熱度を＋５℃とし、低高段比率＝３：１の条件で二段圧縮冷凍装置を運転した場合、圧縮後の冷媒ガスの温度は、理論的に＋１６５℃（圧縮機付温度計で約＋１４５℃）となる（図８のモリエル線図参照）。

一方、前述したように、冷蔵庫の庫内温度を−５０℃以下に冷却する超低温を得るためには、蒸発温度を−６０℃以下に下げなければならないことから、冷媒としてアンモニアを用いた二段圧縮冷凍装置での超低温運転は不可能であることが明らかである。

また、二元冷凍装置の場合においては、アンモニア／Ｒ２３の組み合わせが考えられるが、Ｒ２３は、ＨＦＣ系冷媒であり、地球温暖化への影響が避けられず、使用は好ましくない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、冷媒にアンモニアを採用して、潤滑油の劣化を招くことなく冷蔵庫内を−６０℃以下の超低温に冷却することのできる冷凍装置を提供するものである。

本発明は、アンモニアを冷媒とし、１個もしくは複数個の二段圧縮機、１個の単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機、１個の凝縮器、各二段圧縮機にそれぞれ対応する複数個の膨張弁および蒸発器を少なくとも備えた主冷凍装置と、アンモニアを冷媒とし、１個の単段圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を少なくとも備えた副冷凍装置と、主冷凍装置の凝縮器および副冷凍装置の蒸発器との間に設けられ、循環ポンプを備えた凝縮器冷却水の循環回路と、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機および副冷凍装置の単段圧縮機との間に設けられ、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機の低段吸入口側および高段吐出口側と単段圧縮機の吸入口側および吐出口側をそれぞれ接続するバイパス回路と、からなり、副冷凍装置の単段圧縮機に代えて単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機を単段圧縮機として使用して、副冷凍装置の冷媒をバイパス回路を介して副冷凍装置の凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環させ、副冷凍装置の蒸発器で冷却された凝縮器冷却水を循環ポンプを介して主冷凍装置の凝縮器に供給することを特徴とするものである。

本発明によれば、主冷凍装置および副冷凍装置をそれぞれ作動させることにより、主冷凍装置の冷媒としてのアンモニアを二段圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環させ、また、副冷凍装置の冷媒としてのアンモニアを単段圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環させることができる。そして、循環回路の循環ポンプを駆動させることにより、凝縮器冷却水が副冷凍装置の蒸発器と主冷凍装置の凝縮器との間を循環し、副冷凍装置の蒸発器によって冷却された凝縮器冷却水を主冷凍装置の凝縮器に供給することができる。

一方、副冷凍装置の単段圧縮機が故障などにより作動できない場合は、二段圧縮機のうち、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機を単段圧縮機に切り換えることにより、副冷凍装置の単段圧縮機に代えて単段圧縮機として使用することができる。この場合は、主冷凍装置の冷媒としてのアンモニアを二段圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環させることができ、また、副冷凍装置の冷媒としてアンモニアを、バイパス回路を介して単段圧縮機に切り換えられた二段圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環させることができる。そして、循環回路の循環ポンプを駆動させることにより、凝縮器冷却水が副冷凍装置の蒸発器と主冷凍装置の凝縮器との間を循環し、副冷凍装置の蒸発器によって冷却された凝縮器冷却水を主冷凍装置の凝縮器に供給することができる。

このため、万が一副冷凍装置の単段圧縮機が故障した場合であっても、冷媒ガスの凝縮温度を、常温の冷却水によって凝縮させる場合よりも低下させことができる。例えば、凝縮器冷却水の温度が＋１０℃であるとき、主冷凍装置のアンモニアガスの凝縮温度は＋１５℃となる。

この結果、凝縮温度＋１５℃、蒸発温度−７０℃、圧縮機各段吸入ガスの過熱度５℃、低高段比率３：１の条件で主冷凍装置を運転した場合、圧縮機吐出ガス温度は、潤滑油が劣化することのない＋１４３℃（圧縮機付温度計で約１２３℃）以下に保持される。したがって、冷媒にアンモニアを採用して、潤滑油を劣化させることなく庫内温度を−６０℃以下の超低温に維持することができる。

本発明によれば、冷媒にアンモニアを採用して、潤滑油の劣化を招くことなく冷蔵庫内を−６０℃以下の超低温に冷却することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明の冷凍装置１の一実施形態が示されている。

この冷凍装置１は、主冷凍装置１Ａおよび副冷凍装置１Ｂから構成される。

主冷凍装置１Ａは、図示しない冷蔵庫に設けられた蒸発器２と、蒸発器２で蒸発した冷媒ガス（アンモニアガス）を吸入、圧縮する二段圧縮機３と、二段圧縮機３によって圧縮された冷媒ガスを凝縮する凝縮器４と、凝縮された冷媒液（アンモニア液）を膨張させる膨張弁５と、から主に構成され、蒸発器２で冷媒液を蒸発させる際、その周囲から熱を奪うことにより庫内を冷凍するものである。

ここで、二段圧縮機３は、図２に示すように、蒸発器２からの冷媒ガスを吸入する低段吸入口３ａと、第１段階で圧縮された冷媒ガスを吐出する低段吐出口３ｂと、第１段階の圧縮された冷媒ガスを吸入する高段吸入口３ｃと、第２段階で圧縮された冷媒ガスを凝縮器４に吐出する高段吐出口３ｄとを有し、低段吐出口３ｂおよび高段吸入口３ｃ間を接続する管路には、冷媒ガスを冷却するガスクーラー６が配設されている。

そして、凝縮器４と膨張弁５とを接続する配管には、凝縮器４によって凝縮された冷媒液を貯留する受液器７が配設されている他、詳細には図示しないが、二段圧縮機３の高段吐出口３ｄから吐出された圧縮ガスから潤滑油を分離する油分離器が二段圧縮機３の高段吐出口３ｄと凝縮器４とを接続する管路に設けられている。

副冷凍装置１Ｂは、蒸発器８と、蒸発器８で蒸発した冷媒ガス（アンモニアガス）を吸入、圧縮する単段圧縮機９と、単段圧縮機９によって圧縮された冷媒ガスを凝縮する凝縮器１０と、凝縮された冷媒液（アンモニア液）を膨張させる膨張弁１１と、から主に構成されている。そして、凝縮器１０と膨張弁１１とを接続する管路には、凝縮器１０によって凝縮された冷媒液を貯留する受液器１２が配設されている他、詳細には図示しないが、単段圧縮機９の吐出口９ｂから吐出された圧縮ガスから潤滑油を分離する油分離器が単段圧縮機９の吐出口９ｂと凝縮器１０とを接続する配管に設けられている。

ところで、主冷凍装置１Ａの凝縮器４と、副冷凍装置１Ｂの蒸発器８との間には、清水、海水、ブラインなどの凝縮器冷却水を循環させる循環回路１３が設けられており、該循環回路１３に配設された循環ポンプ１４を介して凝縮器冷却水を主冷凍装置１Ａの凝縮器４と副冷凍装置１Ｂの蒸発器８との間で循環させることができる。このため、副冷凍装置１Ｂの蒸発器８によって冷却された凝縮器冷却水を主冷凍装置１Ａの凝縮器４に供給することができる。

なお、副冷凍装置１Ｂの凝縮器１０には、常温の冷却水、例えば、海水が冷却水ポンプ１５を介して供給されている。

次に、このように構成された冷凍装置１の作動について説明する。

まず、主冷凍装置１Ａにおいて、冷媒としてのアンモニアは、二段圧縮機３の低段吸入口３ａに吸入され、第１段の圧縮機構によって圧縮された後、低段吐出口３ｂから吐出され、ガスクーラー６によって冷却されて高段吸入口３ｃに吸入され、第２段の圧縮機構により再度圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスとなって高段吐出口３ｄから吐出される。

次いで、吐出された冷媒ガスは、油分離器（図示せず）によって潤滑油が分離された後、凝縮器４に供給され、凝縮器４によって凝縮され、高圧の冷媒液となって受液器７を経て膨張弁５に流入する。そして、冷媒液は、膨張弁５によって湿りガスとなって蒸発器２に送られ、蒸発器２内で蒸発して冷却作用を行った後、冷媒ガスとして二段圧縮機３の低段吸入口３ａに吸入され、再び第１段の圧縮機構によって圧縮される。

また、副冷凍装置１Ｂにおいても、冷媒としてのアンモニアは、単段圧縮機９の吸入口９ａに吸入され、圧縮機構によって圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスとなって吐出口９ｂから吐出される。そして、吐出された冷媒ガスは、油分離器（図示せず）によって潤滑油が分離された後、凝縮器１０に供給され、凝縮器１０によって凝縮され、高圧の冷媒液となって受液器１２を経て膨張弁１１に流入する。そして、冷媒液は、膨張弁１１によって湿りガスとなって蒸発器８に送られ、蒸発器８内で蒸発して冷却作用を行った後、過熱ガスとして単段圧縮機９の吸入口９ａに吸入され、再び圧縮機構によって圧縮される。

ここで、循環回路１３の循環ポンプ１４を駆動すると、凝縮器冷却水が副冷凍装置１Ｂの蒸発器８と主冷凍装置１Ａの凝縮器４との間を循環する。この際、凝縮器冷却水は、副冷凍装置１Ｂの蒸発器８で冷却されて主冷凍装置１Ａの凝縮器４に供給され、主冷凍装置１Ａにおける凝縮器４の冷媒ガスを冷却して副冷凍装置１Ｂの蒸発器８に戻ることになる。すなわち、主冷凍装置１Ａの冷媒ガスは、凝縮器冷却水によって冷却され、常温の冷却水を利用したときよりも低い温度で凝縮する。具体的には、凝縮器冷却水の温度が＋１０℃であるとき、主冷凍装置１Ａの冷媒ガスの凝縮温度は、約＋１５℃となる。

このような冷凍装置１において、凝縮温度を＋１５℃、蒸発温度を−７０℃、二段圧縮機３における各段の吸入ガスの過熱度を＋５℃、低高段比率＝３：１の場合の断熱圧縮における圧縮過程の温度変化を図３のモリエル線図に示す。図３のモリエル線図から明らかなように、圧縮後の冷媒ガスの温度は、＋１４３℃（圧縮機付温度計で約１２３℃）である。

この結果、圧縮後の冷媒ガスの温度が＋１７０℃以下となることにより、冷媒とともに装置内を循環する潤滑油は変性することがなく、冷媒にアンモニアを用いて、潤滑油の劣化を招来することなく−６０℃以下の超低温を得ることができる。

すなわち、遠洋漁船向けに冷凍設備を搭載する場合にＨＣＦＣもしくはＨＦＣ二段圧縮冷凍装置の代わりにアンモニア二段圧縮冷凍設備の主冷凍装置を設置し、アンモニア単段圧縮機を有する副冷凍装置および循環回路を追加することにより、−６０℃以下の超低温を得ることができる。これは新規設備、既存設備を問わず対応可能である。

なお、前述した実施形態においては、遠洋漁船の冷凍装置を例に説明したが、漁船に限らず陸上の冷凍装置にも適用できることはもちろんである。

図４には、前述した冷凍装置１の一実施形態の変形例が示されている。

この実施形態においても、冷凍装置１は、主冷凍装置１Ａおよび副冷凍装置１Ｂから構成されており、この実施形態の主冷凍装置１Ａでは、複数個の二段圧縮機３₁，３₂が用いられるとともに、各二段圧縮機３₁，３₂にそれぞれ対応して複数個の蒸発器２₁，２₂および膨張弁５₁，５₂が用いられている。

この実施形態においても、主冷凍装置１Ａおよび副冷凍装置１Ｂをそれぞれ作動させるとともに、循環ポンプ１４を駆動するとき、副冷凍装置１Ｂの蒸発器８と主冷凍装置１Ａの凝縮器４との間を凝縮器冷却水が循環し、副冷凍装置１Ｂの蒸発器８によって冷却された凝縮器冷却水を主冷凍装置１Ａの凝縮器４に供給することができる。したがって、主冷凍装置１Ａにおける凝縮器４の冷媒ガスは、凝縮器冷却水によって冷却され、常温の冷却水を利用したときよりも低い温度で凝縮する。例えば、凝縮器冷却水の温度が＋１０℃であるとき、主冷凍装置１Ａの冷媒ガスの凝縮温度は、約＋１５℃となる。

この冷凍装置１においても、凝縮温度を＋１５℃、蒸発温度を−７０℃、二段圧縮機３₁，３₂における各段の吸入ガスの過熱度を＋５℃、低高段比率＝３：１の場合の断熱圧縮における圧縮過程の温度変化を示す図３のモリエル線図から明らかなように、圧縮後の冷媒ガスの温度は、＋１４３℃までしか上昇しない。

この冷凍装置の実施形態においては、主冷凍装置に複数個の二段圧縮機３₁，３₂を採用したことにより、複数個の二段圧縮機３₁，３₂を同時に駆動させて冷蔵庫の庫内を速やかに冷却することができ、また、冷蔵庫の庫内を設定温度に冷凍したならば、１個の二段圧縮機のみを駆動させるように制御することができる。

なお、図４に示す実施形態においては、複数個の二段圧縮機として２個の二段圧縮機を例示したが、３個以上であってもよいことはもちろんである。

ところで、前述した実施形態においては、副冷凍装置１Ｂの単段圧縮機９が万が一故障した場合、凝縮器冷却水を冷却することができない。このため、主冷凍装置１Ａの凝縮器４に冷却された凝縮器冷却水を供給することができず、冷媒ガス（アンモニアガス）の凝縮温度を常温以下に下げることができなくなる。この結果、前述したように、二段圧縮機３，３₁，３₂から吐出された冷媒ガスの温度は、理論的に＋１９２℃（圧縮機付温度計で約＋１７２℃）となり、潤滑油が変性劣化し、二段圧縮機３，３₁，３₂の焼き付きなどを招来するおそれがある。

このような事態に備えるため、図５および図６には、本発明の冷凍装置１の他の実施形態が示されている。

この実施形態の冷凍装置１も、主冷凍装置１Ａおよび副冷凍装置１Ｂから構成されている。

なお、図５および図６において、前述した実施形態と同一の構成については同一の符号を用いることで詳細な説明を省略し、相違する点についてのみ説明する。

主冷凍装置１Ａにおいて、複数個の二段圧縮機３₁，３₃のうち、一方の二段圧縮機３₃には、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機が採用されている。この二段圧縮機３₃は、図６に示すように、低段吐出口３ｂとガスクーラー６との管路に止め弁１６₁が配設されている他、蒸発器２₂および二段圧縮機３₃の低段吸入口３ａを接続する管路と、ガスクーラー６および二段圧縮機３₃の高段吸入口３ｃを接続する管路との間に、蒸発器２₂から二段圧縮機３₃の高段吸入口３ｃ方向のみの冷媒ガスの流れを許容する逆止弁１７₁を配設した分岐管路が接続されている。また、前述した止め弁１６₁および二段圧縮機３₃の低段吐出口３ｂを接続する管路と、二段圧縮機３₃の高段吐出口３ｄおよび凝縮器４を接続する管路との間に、二段圧縮機３₃の低段吐出口３ｂから凝縮器４方向のみの冷媒ガスの流れを許容する逆止弁１７₂を配設した分岐管路が接続されている。

このような単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機３₃を二段圧縮機として用いるときには、止め弁１６₁を開放した状態で運転する。この場合は、蒸発器２₂からの冷媒ガスは、低段吸入口３ａに吸入され、第１段の圧縮機構によって圧縮された後、低段吐出口３ｂから吐出される。この後、圧縮された冷媒ガスは、開放された止め弁１６₁およびガスクーラー６を経て高段吸入口３ｃに吸入され、第２段の圧縮機構により再度圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスとなって高段吐出口３ｄから吐出される。

このとき、逆止弁１７₁の前後の冷媒ガスの圧力は、第１段の圧縮が行われているため、低段吸入口３ａ側よりも高段吸入口３ｃ側が高くなっており、冷媒ガスが逆止弁１７₁を経て高段吸入口３ｃ側へ流れることはない。また、逆止弁１７₂の前後の冷媒ガスの圧力は、第２段の圧縮が行われているため、低段吐出口３ｂ側よりも高段吐出口３ｄ側が高くなっており、冷媒ガスが逆止弁１７₂を経て高段吐出口３ｄ側へ流れることはない。

一方、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機３₃を単段圧縮機として用いるときには、止め弁１６₁を閉鎖した状態で運転する。止め弁１６₁を閉鎖すると、蒸発器２₂からの冷媒ガスは、低段吸入口３ａに吸入され、第１段の圧縮機構によって圧縮された後、低段吐出口３ｂから吐出される。ここで、止め弁１６₁が閉鎖されていることにより、圧縮された冷媒ガスの高段吸入口３ｃへの供給が遮断され、高段吸入口３ｃ側の圧力が低下する。このため、蒸発器２₂からの冷媒ガスは、逆止弁１７₁を経て高段吸入口３ｃにも同時に吸入され、第２段の圧縮機構によって圧縮された後、高段吐出口３ｄから吐出される。また、第１段の圧縮機構によって圧縮された冷媒ガスは、逆止弁１７₂に供給され、低段吐出口３ｂ側の圧力が上昇する。高段吐出口３ｄより吐出された冷媒ガスも、１段のみ圧縮されており、逆止弁１７₂の低段吐出口３ｂ側の圧力が、その高段吐出口３ｄ側の圧力よりも少しでも高くなると、逆止弁１７₂を経て高段吐出口３ｄから吐出された冷媒ガスと合流して凝縮器４に供給される。

また、主冷凍装置１Ａにおいて、蒸発器２₁と二段圧縮機３₁とを接続する管路および蒸発器２₂と二段圧縮機３₃とを接続する管路には、それぞれ冷媒ガスの切換機構１８₁，１８₂が設けられるとともに、二段圧縮機３₁，３₃と凝縮器４とを接続する管路にも、冷媒ガスの切換機構１８₃が設けられている。

さらに、蒸発器２₂と切換機構１８₂とを接続する管路および二段圧縮機３₃と切換機構１８₃とを接続する管路には、それぞれ三方弁１９₁，１９₂が配設されている他、蒸発器２₂と切換機構１８₂とを接続する管路に配設された三方弁１９₁と、蒸発器２₁と二段圧縮機３₁とを接続する管路に配設された切換機構１８₁との間に接続管路が設けられている。

したがって、蒸発器２₂の冷媒ガスを、三方弁１９₁および切換機構１８₂を介して単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機３₃に供給し、あるいは、三方弁１９₁および切換機構１８₁を介して二段圧縮機３₁に供給することができる。

また、副冷凍装置１Ｂにおいて、蒸発器８と単段圧縮機９とを接続する管路には、三方弁１９₃が配設されており、この三方弁１９₃と、蒸発器２₂と二段圧縮機３₃とを接続する管路に配設された切換機構１８₂との間にバイパス管路が接続されている。さらに、単段圧縮機９と凝縮器１０とを接続する管路には、止め弁１６₂が配設されている。さらにまた、止め弁１６₂と凝縮器１０とを接続する管路と、二段圧縮機３₃と切換機構１８₃とを接続する管路に配設された三方弁１９₂との間にバイパス管路が接続されている。

したがって、止め弁１６₁，１６₂を閉鎖する一方、蒸発器２₂の冷媒ガスを切換機構１８₁を介して二段圧縮機３₁に供給するように三方弁１９₁を切り換え、また、副冷凍装置１Ｂにおける蒸発器８の冷媒ガスをバイパス回路および切換機構１８₂を介して二段圧縮機３₃に供給するように三方弁１９₃を切り換えるとともに、二段圧縮機３₃の冷媒ガスをバイパス回路を介して凝縮器１０に供給するように三方弁１９₂を切り換えることにより、蒸発器８の冷媒ガスを三方弁１９₃、バイパス回路、切換機構１８₂、単段圧縮機に切り換えられた二段圧縮機３₃、三方弁１９₂、バイパス回路、凝縮器１０、受液器１２および膨張弁１１の順に循環させて再び蒸発器８に供給することができる。

この際、主冷凍装置１Ａにおける蒸発器２₂の冷媒ガスは、三方弁１９₁および切換機構１８₁を介して二段圧縮機３₁に供給することができる。

なお、凝縮器冷却水の循環回路１３には、それぞれ三方弁１９₄，１９₅が配設されており、これらの三方弁１９₄，１９₅は、副冷凍装置１Ｂの凝縮器１０の冷却水循環回路に接続されている。したがって、副冷凍装置１Ｂの運転を継続できなくなったとき、三方弁１９₄，１９₅を切り換えて、常温の冷却水を主冷凍装置１Ａの凝縮器４に供給することができる。

また、蒸発器８と三方弁１９₃とを接続する管路には、蒸発圧力調整弁２０が配設されており、副冷凍装置１Ｂの蒸発器８内の冷媒の蒸気圧力が不必要に低下して、主冷凍装置１Ａの凝縮器４に供給される凝縮器冷却水が副冷凍装置１Ｂの蒸発器８内で氷結しないように制御される。

まず、初期状態では、止め弁１６₁は開放されており、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機３₃は、二段圧縮機として作動するようになっている。

また、三方弁１９₁は、蒸発器２₂の冷媒ガスを切換機構１８₂を介して二段圧縮機３₃に供給するように切り換えられ、三方弁１９₂は、二段圧縮機３₃の冷媒ガスを切換機構１８₃を介して凝縮器４に供給するように切り換えられている。また、三方弁１９₃は、副冷凍装置１Ｂにおける蒸発器８の冷媒ガスを単段圧縮機９に供給するように切り換えられている他、止め弁１６₂は開放されており、単段圧縮機９によって圧縮された冷媒ガスを凝縮器１０に導くことができる。

さらに、循環回路１３の三方弁１９₄，１９₅は、凝縮器冷却水が副冷凍装置１Ｂの蒸発器８と、主冷凍装置１Ａの凝縮器４との間を循環するようにそれぞれ切り換えられている。

このような初期状態において、冷凍装置１を作動すると、主冷凍装置１Ａの冷媒としてのアンモニアは、二段圧縮機３₁の低段吸入口３ａに吸入され、第１段の圧縮機構によって圧縮された後、低段吐出口３ｂから吐出され、ガスクーラー６によって冷却されて高段吸入口３ｃに吸入され、第２段の圧縮機構により再度圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスとなって高段吐出口３ｄから吐出される。

次いで、吐出された冷媒ガスは、切換機構１８₃を経て凝縮器４に供給され、凝縮器４によって凝縮され、高圧の冷媒液となって受液器７を経て膨張弁５₁に流入する。そして、冷媒液は、膨張弁５₁によって湿りガスとなって蒸発器２₁に送られ、蒸発器２₁内で蒸発して冷却作用を行った後、冷媒ガスとして切換機構１８₁を経て二段圧縮機３₁の低段吸入口３ａに吸入され、再び第１段の圧縮機構によって圧縮される。

二段圧縮機３₃においても同様に、冷媒としてのアンモニアは、低段吸入口３ａに吸入され、第１段の圧縮機構によって圧縮された後、低段吐出口３ｂから吐出され、ガスクーラー６によって冷却されて高段吸入口３ｃに吸入され、第２段の圧縮機構により再度圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスとなって高段吐出口３ｄから吐出される。

次いで、吐出された冷媒ガスは、三方弁１９₂および切換機構１８₃を経て凝縮器４に供給され、凝縮器４によって凝縮され、高圧の冷媒液となって受液器７を経て膨張弁５₂に流入する。そして、冷媒液は、膨張弁５₂によって湿りガスとなって蒸発器２₂に送られ、蒸発器２₂内で蒸発して冷却作用を行った後、冷媒ガスとして三方弁１９₁および切換機構１８₂を経て二段圧縮機３₃の低段吸入口３ａに吸入され、再び第１段の圧縮機構によって圧縮される。

また、副冷凍装置１Ｂにおいても、冷媒としてのアンモニアは、単段圧縮機９の吸入口９ａに吸入され、圧縮機構によって圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスとなって吐出口９ｂから吐出される。そして、圧縮された冷媒ガスは、止め弁１６₂を経て凝縮器１０に供給され、凝縮器１０によって凝縮され、高圧の冷媒液となって受液器１２を経て膨張弁１１に流入する。そして、冷媒液は、膨張弁１１によって湿りガスとなって蒸発器８に送られ、蒸発器８内で蒸発して冷却作用を行った後、冷媒ガスとして三方弁１９₃を経て単段圧縮機９の吸入口９ａに吸入され、再び圧縮機構によって圧縮される。

ここで、循環回路１３の循環ポンプ１４を作動させると、凝縮器冷却水が副冷凍装置１Ｂの蒸発器８と主冷凍装置１Ａの凝縮器４との間を循環する。この際、凝縮器冷却水は、副冷凍装置１Ｂの蒸発器８で冷却されて主冷凍装置１Ａの凝縮器４に供給され、主冷凍装置１Ａにおける凝縮器４の冷媒ガスを冷却して副冷凍装置１Ｂの蒸発器８に戻ることになる。すなわち、主冷凍装置１Ａの冷媒ガスは、凝縮器冷却水によって冷却され、常温の冷却水を利用したときよりも低い温度で凝縮する。具体的には、凝縮器冷却水の温度が＋１０℃であるとき、主冷凍装置１Ａの冷媒ガスの凝縮温度は、約＋１５℃となる。

このため、凝縮温度を＋１５℃、蒸発温度を−７０℃、圧縮機２における各段の吸入ガスの過熱度を＋５℃、低高段比率＝３：１の場合の断熱圧縮における圧縮過程の温度変化は、前述した図３のモリエル線図から明らかなように、圧縮後の冷媒ガスの温度は、＋１４３℃となる。

この結果、圧縮後の冷媒ガスの温度が＋１７０℃（圧縮機付温度計で約＋１５０℃）以下となることにより、冷媒とともに装置内を循環する潤滑油は変性することがなく、冷媒にアンモニアを用いて、潤滑油の劣化を招来することなく−６０℃以下の超低温を得ることができる。

一方、副冷凍装置１Ｂの単段圧縮機９が万が一故障したときには、止め弁１６₁を閉鎖し、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機３₃を単段圧縮機として作動するように切り換える。

また、三方弁１９₁を、蒸発器２₂の冷媒ガスを切換機構１８₁を介して二段圧縮機３₁に供給するように切り換えるとともに、三方弁１９₂を、二段圧縮機３₃の冷媒ガスを副冷凍装置１Ｂの凝縮器１０に供給するように切り換える。また、三方弁１９₃を、副冷凍装置１Ｂにおける蒸発器８の冷媒ガスを切換機構１８₂に供給するように切り換える他、止め弁１６₂を閉鎖する。

このような状態において、冷凍装置１を作動すると、主冷凍装置１Ａにおいて、冷媒としてのアンモニアは、二段圧縮機３₁の低段吸入口３ａに吸入され、第１段の圧縮機構によって圧縮された後、低段吐出口３ｂから吐出され、ガスクーラー６によって冷却されて高段吸入口３ｃに吸入され、第２段の圧縮機構により再度圧縮された後、高温高圧の冷媒ガスとなって高段吐出口３ｄから吐出される。そして、吐出された冷媒ガスは、切換機構１８₃を経て凝縮器４に供給され、凝縮器４によって凝縮され、高圧の冷媒液となって受液器７を経て膨張弁５₁に流入する。そして、冷媒液は、膨張弁５₁によって湿りガスとなって蒸発器２₁に送られ、蒸発器２₁内で蒸発して冷却作用を行った後、冷媒ガスとして切換機構１８₁を経て二段圧縮機３₁の低段吸入口３ａに吸入され、再び第１段の圧縮機構によって圧縮される。

なお、受液器７から膨張弁５₂に流れた冷媒液は、膨張弁５₂によって湿りガスとなって蒸発器２₂に送られ、蒸発器２₂内で蒸発して冷却作用を行った後、冷媒ガスとして三方弁１９₁および切換機構１８₁を経て二段圧縮機３₁の低段吸入口３ａに吸入される。

一方、二段圧縮機３₃に流入した冷媒ガスは、前述したように、低段吸入口３ａおよび高段吸入口３ｃに吸入され、第１段の圧縮機構および第２段の圧縮機構によってそれぞれ１段階圧縮された後、低段吐出口３ｂおよび高段吐出口３ｄからそれぞれ吐出されて合流する。そして、吐出された冷媒ガスは、三方弁１９₂およびバイパス回路を経て副冷凍装置１Ｂの凝縮器１０に供給され、凝縮器１０によって凝縮され、高圧の冷媒液となって受液器１２を経て膨張弁１１に流入する。そして、冷媒液は、膨張弁１１によって湿りガスとなって蒸発器８に送られ、蒸発器８内で蒸発して冷却作用を行った後、冷媒ガスとして蒸発圧力調整弁２０、三方弁１９₃、バイパス回路および切換機構１８₂を経て単段圧縮機に切り換えられた二段圧縮機３₃の低段吸入口３ａおよび高段吸入口３ｃに吸入され、再び第１段の圧縮機構によって圧縮される。

なお、副冷凍装置１Ｂにおいては、単段圧縮機９の吸入口９ａへの冷媒ガスの吸入が三方弁１９₃によって阻止されるとともに、吐出口９ｂからの冷媒ガスの吐出が止め弁１６₂によって阻止されている。

このため、凝縮温度を＋１５℃、蒸発温度を−７０℃、圧縮機３₁，３₃における各段の吸入ガスの過熱度を＋５℃、低高段比率＝３：１の場合の断熱圧縮における圧縮過程の温度変化は、前述した図３のモリエル線図から明らかなように、圧縮後の冷媒ガスの温度は、＋１４３℃となる。

この結果、圧縮後の冷媒ガスの温度が＋１７０℃（圧縮機付温度計で約＋１５０℃）以下となることにより、冷媒とともに装置内を循環する潤滑油は変性することがなく、冷媒にアンモニアを用いて、潤滑油の劣化を招来することなく−６０℃以下の超低温を得ることができる。しかも、副冷凍装置１Ｂの単段圧縮機９が万が一故障などにより作動不能となったとしても、主冷凍装置１Ａの二段圧縮機の１個の二段圧縮機を単段圧縮機として使用することができるため、遠洋などにおいて冷凍不能の事態に陥ることを確実に防止することができる。

また、副冷凍装置１Ｂの凝縮器１０あるいは蒸発器８が故障し、副冷凍装置１Ｂの運転を継続できなくなったとき、凝縮器冷却水を冷却して主冷凍装置１Ａの凝縮器４に供給することができなくなる。この場合は、三方弁１９₄，１９₅を切り換えて、常温の冷却水を主冷凍装置１Ａの凝縮器４に供給して、凝縮器４の冷媒ガスを常温で凝縮させる。このように、凝縮器４の冷媒ガスを常温で凝縮させたときには、運転台数などを調整するとともに、潤滑油が変性しないように、冷媒ガスの蒸発温度をそれまでよりも上昇させて緊急避難的に運転を継続することができる。

なお、この実施形態においても、必要とする冷凍能力に合わせて、複数個の二段圧縮機を用いることができる。そして、複数個の二段圧縮機を用いた場合は、各二段圧縮機にそれぞれ対応する複数個の膨張弁および蒸発器を配設すればよい。

以上のように本発明によれば、冷媒にアンモニアを採用して、潤滑油の劣化を招くことなく冷蔵庫内を−６０℃以下の超低温に冷却することができることから、地球環境の保護に寄与することができる。

本発明の冷凍装置の一実施形態を示す回路図である。図１の冷凍装置の二段圧縮機を示す説明図である。図１の冷凍装置における圧縮工程の温度変化を示すモリエル線図である。図１の冷凍装置の変形例を示す回路図である。本発明の冷凍装置の他の実施形態を示す回路図である。図５の冷凍装置の単段に切換可能な二段圧縮機を示す説明図である。従来の二段圧縮冷凍装置における圧縮工程の温度変化を示すモリエル線図である。従来の二段圧縮冷凍装置における圧縮工程の温度変化を示すモリエル線図である。

符号の説明

１冷凍装置
１Ａ主冷凍装置
１Ｂ副冷凍装置
２，２₁，２₂蒸発器
３，３₁，３₂二段圧縮機
３₃ 単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機
４，１０凝縮器
５，５₁，５₂，１１膨張弁
６ガスクーラー
７，１２受液器
９単段圧縮機
１３循環回路
１４循環ポンプ
１５冷却水ポンプ
１６₁，１６₂ 止め弁
１７₁，１７₂ 逆止弁
１８₁，１８₂，１８₃ 切換機構
１９₁，１９₂，１９₃，１９₄，１９₅ 三方弁
２０蒸発圧力調整弁

Claims

アンモニアを冷媒とし、１個もしくは複数個の二段圧縮機、１個の単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機、１個の凝縮器、各二段圧縮機にそれぞれ対応する複数個の膨張弁および蒸発器を少なくとも備えた主冷凍装置と、アンモニアを冷媒とし、１個の単段圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器を少なくとも備えた副冷凍装置と、主冷凍装置の凝縮器および副冷凍装置の蒸発器との間に設けられ、循環ポンプを備えた凝縮器冷却水の循環回路と、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機および副冷凍装置の単段圧縮機との間に設けられ、単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機の低段吸入口側および高段吐出口側と単段圧縮機の吸入口側および吐出口側をそれぞれ接続するバイパス回路と、からなり、副冷凍装置の単段圧縮機に代えて単段圧縮機に切換可能な二段圧縮機を単段圧縮機として使用して、副冷凍装置の冷媒をバイパス回路を介して副冷凍装置の凝縮器、膨張弁、蒸発器の順に循環させ、副冷凍装置の蒸発器で冷却された凝縮器冷却水を循環ポンプを介して主冷凍装置の凝縮器に供給することを特徴とする冷凍装置。