JP5186688B2 - アンモニアを用いた製氷装置 - Google Patents

Description

本発明はアンモニアを冷媒として使用した氷の製造装置に係り、特に、冷媒としてアンモニアを使用した場合に生ずる問題を解決し、より省エネでかつ装置全体のコストを下げることが可能なアンモニアを用いた製氷装置に関する。

２００５年２月の京都議定書の発効により、日本の温室効果ガス６％削減（１９９０年度比）への対応が緊急の課題となっている。冷凍空調機器で多く使用されてきたフロン系冷媒（ＣＦＣ１２、ＨＣＦＣ２２等）はオゾン層保護の目的から全廃が決定し、フロン系代替冷媒（ＨＦＣ１３４ａ等）への切替が進んでいるが、代替冷媒も地球温暖化抑制の観点から、規制対象（５％削減義務、１９９５年度比）となっている。このような背景より、ノンフロンで環境規制に対応する自然冷媒アンモニアを使用した産業用製氷機の開発が必要とされている。

特許文献１〜４は全てホットガス脱氷方式であり、これらの技術の問題点を明確にするため、その典型例を図３に示す。図３に示すように、圧縮機６０によって加圧されたアンモニアは、凝縮器６１で冷却され、膨張弁６２及びバルブ６３を介して製氷板（蒸発器）６４に供給され、表面に滴下した水を凍らせ、製氷板６４の上に氷６５を形成する。アンモニアは切り替え弁６６を介して圧縮機６０に戻される。そして、一定厚の氷６５が製氷板６４の上に形成されると、切り替え弁６６を切り替えると共に、バルブ６７をオンにし、圧縮機６０によって加圧及び加熱された冷媒（ホットガス）を製氷板６４内に流して加熱し、脱氷を行う。
また、特許文献５、特許文献６に記載の技術は、製氷時にコールドブラインを、脱氷時にホットブラインを使用し、ホットガスは使用していない。

特開平８−２６１６１４号公報 特開平１１−２０１６０１号公報 特開２００１−７４３４５号公報 特開２００１−２０１１１８号公報 特開平１１−３２５６７８号公報 特開平１１−３３７２３８号公報

しかしながら、特許文献１〜４及び図３に示すホットガス脱氷方式においては、以下のような問題があった。
（１）脱氷過程も冷凍機を連続運転するので、エネルギーロスが大きく、冷凍機の負荷が大きい。
（２）脱氷時の冷媒切り替え用電磁弁（切り替え弁）が多く必要で、脱氷サイクルが短時間であるため、短時間での動作回数が多く、寿命が短くなるという欠点があった。
（３）ホットガスによる脱氷（氷融解）のため、ガスの熱容量が小さく、脱氷時間が比較的長い（例えば、３〜４分）。
また、アンモニア冷媒でホットガス脱氷方式を使用すると、更に加えて以下の問題が発生する。
（４）圧縮機のガス吐出温度が１３０〜１５０℃と高いことが原因で、冷凍機油の炭化劣化があり、これが製氷板の内面に付着して製氷板伝熱性能が低下し、その障害で運転不能となることが多発する。
（５）圧縮機のガス吐出温度が１３０〜１５０℃と高いことが原因の圧縮機熱変形と、脱氷時（電磁弁切り替え時）の大きな圧力変動による圧縮機の故障及び圧縮機軸封部からの冷媒漏れが発生することがある。

一方、特許文献５及び特許文献６記載の技術においては、製氷機の冷却通路にコールドブラインを流して製氷を行い、ホットブラインを流して脱氷を行うので、異なる液体であるコールドブラインとホットブラインが混合する恐れがある。また、ブラインは熱伝達係数が非常に小さく、装置が大型化するという問題がある。
更には、電磁弁を多く使用することは、基本的に引用文献１〜４と同じである。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、イニシャルコスト及びランニングコストを下げて、かつその耐用年数を伸ばすことが可能なアンモニアを用いた製氷装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係るアンモニアを用いた製氷装置は、閉回路を形成する圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び製氷用蒸発器に順次冷媒を流して前記製氷用蒸発器で氷を製造するアンモニアを用いた製氷装置において、
前記冷媒をアンモニアとし、更に、前記圧縮機の直後で前記凝縮器の前に、水を入れた水槽の中に前記冷媒を流す配管が浸漬された水槽式の熱交換器を配置し、
製氷時には、前記熱交換器からの前記水を、ポンプ、切り替え弁及び前記圧縮機のシリンダーの外側の冷却部に順次循環させると共に、前記熱交換器で前記冷媒の凝縮を行って、前記熱交換器で前記水の加熱を行い、更に、前記製氷用蒸発器の対向配置されて垂直状態にある対となる製氷板の外側面に清水を流して製氷を行い、
前記氷を前記製氷用蒸発器から脱氷する場合は、前記圧縮機の運転を停止すると共に、前記切り替え弁を切り替えて、前記熱交換器で生成した温水を、前記ポンプ、前記切り替え弁、及び前記製氷用蒸発器に順次循環させて冷却し、しかも、前記製氷用蒸発器の対向配置された前記対となる製氷板の間に前記温水が供給される。

第２の発明に係るアンモニアを用いた製氷装置は、第１の発明に係るアンモニアを用いた製氷装置において、前記熱交換器は、前記製氷用蒸発器の下位置に配置され、製氷時に前記製氷用蒸発器への前記温水の供給を止めることによって、自動的に前記製氷用蒸発器内の水が前記熱交換器に落ちる。

請求項１、２記載のアンモニアを用いた製氷装置は、冷媒をアンモニアとし、更に、圧縮機の直後に水を用いる熱交換器を配置し、熱交換器内で低温に保たれた水と熱交換することで、高温高圧のアンモニアガスの凝縮を行うので、アンモニアの圧縮機吐出温度、圧力、及び凝縮温度が低下し、製氷効率の向上、ランニングコストの低減を図れる。また、アンモニアを凝縮することで発生する熱で水を加温しているので、エネルギーの利用効率がよい。また、加温した水で脱氷するので、気体で行うより短時間に脱氷が行える。
更には、圧縮機吐出温度、圧力及び凝縮温度が低下することよって、冷凍機油（圧縮機で使用する油）の劣化が抑えられメンテナンス頻度を減少することができる。また、同時に圧縮機の故障と、その軸封部からの冷媒漏れを防ぐことができる。

このアンモニアを用いた製氷装置においては、熱交換器から製氷用蒸発器への温水の供給は循環回路を形成することによって行い、しかも、熱交換器から製氷用蒸発器への温水の供給は循環回路に設けられたポンプによって行うので、加温された水（即ち、エネルギー）の有効利用が図れる。

特に、請求項１記載のアンモニアを用いた製氷装置においては、熱交換器は水槽の中に冷媒を流す配管が浸漬されているので、熱交換効率が高く、水槽内の水を必要に応じてそのまま使用できる。このように、アンモニアの凝縮を水槽式熱交換器内で行うことにより、アンモニアの凝縮温度、圧力を低下させ、製氷効率を更に一段と向上させることができる。
請求項２記載のアンモニアを用いた製氷装置は、水槽式熱交換器は、製氷用蒸発器の下位置に配置され、製氷時に製氷用蒸発器への水の供給を止めることによって、製氷用蒸発器内の水が水槽式熱交換器に落ちるので、製氷用蒸発器内の水を極めて簡単に抜くことができ、製氷用蒸発器内に水が残って凍ったりすることがない。

また、請求項１記載のアンモニアを用いた製氷装置においては、水槽式熱交換器の水を用いて圧縮機のシリンダーの冷却を行っているので、圧縮機から発生する熱によって水を加熱することができると共に、圧縮機を冷やして温度上昇を抑えるので、機器の寿命を伸ばすことができる。更には、冷媒ガスであるアンモニアが漏れた場合に、水槽の水をそのまま使って散水し、アンモニアの飛散を防止できる。

また、請求項１記載のアンモニアを用いた製氷装置においては、製氷用蒸発器は、内部に冷媒通路を有する製氷板を対向して配置し、冷媒通路に冷媒を流した状態で製氷板の外側面に清水を垂らして製氷を行い、対となる製氷板の間に熱交換器からの温水を散水して脱氷が行われるので、冷媒と水が完全に分離し混ざることがない。更に、対向配置された製氷板の内側に温水を当てるようにしているので、温水の付着等によって製氷作業が影響されない。そして、脱氷時は圧縮機の運転は停止するので、電力の消費を減少することができ、更には圧縮機の寿命を伸ばすことができる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係るアンモニアを用いた製氷装置のブロック図、図２は同アンモニアを用いた製氷装置の製氷用蒸発器の説明図である。

図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るアンモニアを用いた製氷装置１０は、冷媒であるアンモニア（ガス）を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１で加圧されたアンモニアを冷却する水槽式熱交換器１２と、水槽式熱交換器１２の下流側に直列に接続される凝縮器１３と、凝縮器１３の下流側に設けられている液溜め１４と、これに続く膨張弁１５及び製氷用蒸発器の一例である対となる製氷板１６、１７とを有して閉回路を形成している。以下、これらについて詳しく説明する。

圧縮機１１は通常の水冷タイプの圧縮機が使用される。圧縮機１１では油を使用するので、圧縮機１１の出口にはオイルセパレータ１８が設けられている。また、水槽式熱交換器１２は、水２０を入れた水槽２１内に水との接触面積を拡大したアンモニアを流す蛇管（配管）２２を配置して構成され、圧縮機１１によって１．２〜１．５ＭＰａに圧縮されたアンモニアを出口側で３０〜４０℃に冷却して凝縮している。

水槽式熱交換器１２の下流側には、凝縮器１３が設けられて、水槽式熱交換器１２で冷却したアンモニアを空気又は水流によって更に冷却するようにしている。なお、この凝縮器１３はアンモニアが予め水槽式熱交換器１２で冷却されているので、従来のものより小型で済み、場合によっては、水槽式熱交換器１２の能力を増加させて、この凝縮器１３を省略することも可能（即ち、この水槽式熱交換器１２を凝縮器として使用する）である。

凝縮器１３の下流側には、液溜め１４が設けられ、凝縮されて液化したアンモニアを一次貯留できる構造となっている。液溜め１４の下流には膨張弁１５が設けられ、製氷板１６、１７内でアンモニアを蒸発（気化）させて、製氷板１６、１７全体の温度を下げて、製氷板１６、１７の外側の側面に滴下した水を凍らせ、気化されたアンモニアは圧縮機１１に戻されている。

製氷板１６、１７の構造を図２に示すが、製氷板１６、１７は対向して配置され、ステンレス又はアルミニウム等の熱伝導性の良い、耐蝕性を有する金属からなって、それぞれ内側に冷媒通路２４、２５を有している。この冷媒通路２４、２５はそれぞれ一本の配管がジグザグ状に形成され、下部から上部に（又は上部から下部に）冷媒であるアンモニアが流れ、製氷板１６、１７を冷却するようになっている。製氷板１６、１７の間には、密閉された空隙２６があり、内側上部に設けられた散水パイプ２７から噴射された水（温水）によって製氷板１６、１７を内側から加温するようになっている。また、製氷板１６、１７の下部には水受け２８と樋２９があって、氷製造時に発生する水を回収している。

水槽式熱交換器１２を構成する水槽２１内の水２０は、ポンプ３０と切り替え弁３１を介して製氷板１６、１７内に供給され、これらが循環回路を形成する。また、切り替え弁３１を切り替えて、ポンプ３０からの水を圧縮機１１のシリンダーの外側に供給し、圧縮機１１の作動時にシリンダーの冷却を行うようにしている。これによって、水２０も加温される。
また、水槽式熱交換器１２は、製氷板１６、１７より下位置に設けられて切り替え弁３１を作動させて、製氷板１６、１７への水の供給を止めた場合、製氷板１６、１７内の水は図示しない排出口から落下して水槽２１内に移動し、製氷板１６、１７内の水がなくなる構成となっている。

続いて、アンモニアを用いた製氷装置１０の動作と及び作用について説明する。
圧縮機１１で１．２〜１．５ＭＰａに圧縮されたアンモニアは、水槽式熱交換器１２に供給されて冷却されると共に水槽２１内の低温（５〜３０℃）の水２０を加温する。これによって、圧縮されて高温となったアンモニアが冷却されて凝縮する。そして、このアンモニアは凝縮器１３を通って、液溜め１４に液となって貯留される。その一部は膨張弁１５を介して製氷板１６、１７に流れて気化し、製氷板１６、１７全体を冷却する。

このとき、ポンプ３０は稼働しているが、切り替え弁３１が圧縮機側になって、ポンプ３０から送られる水は圧縮機１１のシリンダーを冷却している。この状態（製氷時）では、製氷板１６、１７に供給される水は停止しているので、製氷板１６、１７内の水は水槽２１内に流れ落ちた状態となっている。

アンモニアを製氷板１６、１７の冷媒通路２４、２５に流し、垂直状態にある製氷板１６、１７の外表面に清水を流下又は滴下させると、その水が冷却されて凍り、徐々に厚みを増して板状氷３３、３４となる。製氷を開始して一定の時間Ｔ１経過した後圧縮機１１を止める。

圧縮機１１を停止させた後、切り替え弁３１を作動させてポンプ３０からの温水を製氷板１６、１７間の空隙２６に配置された散水パイプ２７に流す。これによって、製氷板１６、１７の外表面に付着していた板状氷３３、３４が剥離する。温水は冷却された製氷板１６、１７で熱交換され再び低温の水となる。このように構成することによって、冷媒を切り替える電磁弁を省略でき、装置のイニシャルコストが安くなる。

脱氷が完了した後、再度、切り替え弁３１を圧縮機側に切り替えて、圧縮機１１に水を供給するようにすると、製氷板１６、１７内の水が抜ける。そして、圧縮機１１の運転を再開すると、アンモニアが加圧されて、水槽式熱交換器１２、凝縮器１３、液溜め１４、膨張弁１５、製氷板１６、１７内を流れて、製氷作業を開始する。

また、水槽２１の形状は上部開放の角形又は円筒形が好ましいが、通常の熱交換と同じく密閉構造であってもよい。
更には、説明のために記載した具体的数字は、本発明の要旨を変更しない範囲で変えることもできる。

本発明の一実施の形態に係るアンモニアを用いた製氷装置のブロック図である。 同アンモニアを用いた製氷装置に用いる製氷用蒸発器の説明図である。 従来例に係るアンモニアを用いた製氷装置の概略説明図である。

１０：アンモニアを用いた製氷装置、１１：圧縮機、１２：水槽式熱交換器、１３：凝縮器、１４：液溜め、１５：膨張弁、１６、１７：製氷板、１８：オイルセパレータ、２０：水、２１：水槽、２２：蛇管、２４、２５：冷媒通路、２６：空隙、２７：散水パイプ、２８：水受け、２９：樋、３０：ポンプ、３１：切り替え弁、３３、３４：板状氷

Claims (2)

1. 閉回路を形成する圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び製氷用蒸発器に順次冷媒を流して前記製氷用蒸発器で氷を製造するアンモニアを用いた製氷装置において、
   前記冷媒をアンモニアとし、更に、前記圧縮機の直後で前記凝縮器の前に、水を入れた水槽の中に前記冷媒を流す配管が浸漬された水槽式の熱交換器を配置し、
   製氷時には、前記熱交換器からの前記水を、ポンプ、切り替え弁及び前記圧縮機のシリンダーの外側の冷却部に順次循環させると共に、前記熱交換器で前記冷媒の凝縮を行って、前記熱交換器で前記水の加熱を行い、更に、前記製氷用蒸発器の対向配置されて垂直状態にある対となる製氷板の外側面に清水を流して製氷を行い、
   前記氷を前記製氷用蒸発器から脱氷する場合は、前記圧縮機の運転を停止すると共に、前記切り替え弁を切り替えて、前記熱交換器で生成した温水を、前記ポンプ、前記切り替え弁、及び前記製氷用蒸発器に順次循環させて冷却し、しかも、前記製氷用蒸発器の対向配置された前記対となる製氷板の間に前記温水が供給されることを特徴とするアンモニアを用いた製氷装置。
2. 請求項１記載のアンモニアを用いた製氷装置において、前記熱交換器は、前記製氷用蒸発器の下位置に配置され、製氷時に前記製氷用蒸発器への前記温水の供給を止めることによって、自動的に前記製氷用蒸発器内の水が前記熱交換器に落ちることを特徴とするアンモニアを用いた製氷装置。

Images