JP5896525B2 - Cooling equipment - Google Patents

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本発明は、冷却庫や冷凍・冷蔵保管庫等を冷却するための空調装置を備え、地球環境に無害な自然冷媒を用いた冷却設備に関する。   The present invention relates to a cooling facility that includes an air conditioner for cooling a refrigerator, a freezer / refrigerated storage, and the like, and uses a natural refrigerant that is harmless to the global environment.

空気又は窒素ガスを冷媒ガスとして用いたガス循環式冷凍装置が知られている。ガス循環式冷凍装置は、冷媒ガスを圧縮機で断熱圧縮して高温高圧とし、中間冷却器で冷却した後、膨張機で断熱膨張させて低温低圧とする。この低温低圧の冷媒ガスを冷凍庫等に供給し、この冷媒ガスの顕熱で冷凍庫内を冷却する。代替フロンやNH3等の冷媒を高圧に圧縮する蒸気圧縮式冷凍装置と比べて、ガス循環式冷凍装置は、冷媒ガスを高圧にする必要がなく、安全で環境を害しない利点があると共に、−50℃以下の超低温冷媒を作ることができる。   A gas circulation type refrigeration apparatus using air or nitrogen gas as a refrigerant gas is known. In the gas circulation refrigeration system, refrigerant gas is adiabatically compressed by a compressor to high temperature and high pressure, cooled by an intermediate cooler, and then adiabatically expanded by an expander to be low temperature and low pressure. The low-temperature and low-pressure refrigerant gas is supplied to a freezer or the like, and the inside of the freezer is cooled by sensible heat of the refrigerant gas. Compared to vapor compression refrigeration equipment that compresses refrigerants such as alternative CFCs and NH3 to high pressure, gas circulation refrigeration equipment does not require high pressure of refrigerant gas, and has the advantage of being safe and not harmful to the environment. An ultra-low temperature refrigerant of 50 ° C. or lower can be made.

ガス循環式冷凍装置は、膨張機出口の低温冷媒ガスが冷凍庫等に開放される開放型と、冷媒ガス循環系が大気に対して閉鎖され、膨張機出口の低温冷媒ガスとブラインとをブライン冷却器で熱交換させる閉鎖型とがある。開放型は例えば特許文献1に開示され、閉鎖型は例えば特許文献2に開示されている。図7に、ガス循環式冷凍装置と蒸気圧縮式冷凍装置のCOP(成績係数)を示す。ラインAはガス循環式冷凍装置のCOPを示し、ラインBは蒸気圧縮式冷凍装置のCOPを示している。ガス循環式冷凍装置のCOPは、−55℃より高い温度域において蒸気圧縮式冷凍装置より小さいが、−55℃以下の超低温温度域において蒸気圧縮式冷凍装置より大きい。   The gas circulation refrigeration system has an open type in which the low-temperature refrigerant gas at the outlet of the expander is opened to a freezer, the refrigerant gas circulation system is closed to the atmosphere, and the low-temperature refrigerant gas and brine at the outlet of the expander are brine-cooled There is a closed type in which heat is exchanged in a vessel. The open type is disclosed in, for example, Patent Document 1, and the closed type is disclosed in, for example, Patent Document 2. FIG. 7 shows the COP (coefficient of performance) of the gas circulation refrigeration apparatus and the vapor compression refrigeration apparatus. Line A shows the COP of the gas circulation refrigeration apparatus, and line B shows the COP of the vapor compression refrigeration apparatus. The COP of the gas circulation refrigeration apparatus is smaller than the vapor compression refrigeration apparatus in a temperature range higher than −55 ° C., but larger than the vapor compression refrigeration apparatus in an ultra-low temperature range of −55 ° C. or less.

建物の各室の空調や冷凍室等の冷凍を行うため、NH3を一次冷媒とし、CO2ブラインを二次冷媒として用いた冷凍装置が、地球環境に無害な蒸気圧縮式冷凍装置として冷却庫に広く使用されるようになっている。この冷凍装置を図8に示す。図8において、4階建ての建物05の各階に、冷却庫01〜04が設けられている。建物05の1階に機械室Mが設けられ、機械室MにNH3冷凍装置100が設けられている。NH3冷凍装置100は、一次冷媒のNH3冷媒が循環する循環路102に、圧縮機104と、凝縮器106と、膨張弁108と、CO2液化器110とが設けられている。CO2液化器110で二次冷媒のCO2ブラインをNH3冷媒で冷却して液化する。   Refrigeration equipment using NH3 as the primary refrigerant and CO2 brine as the secondary refrigerant is widely used in refrigerators as a vapor compression refrigeration equipment that is harmless to the global environment in order to perform freezing of air conditioning and freezing rooms in each room of the building. It has come to be used. This refrigeration apparatus is shown in FIG. In FIG. 8, refrigerators 01 to 04 are provided on each floor of a four-story building 05. The machine room M is provided on the first floor of the building 05, and the NH3 refrigeration apparatus 100 is provided in the machine room M. In the NH3 refrigerating apparatus 100, a compressor 104, a condenser 106, an expansion valve 108, and a CO2 liquefier 110 are provided in a circulation path 102 through which NH3 refrigerant as a primary refrigerant circulates. In the CO2 liquefier 110, the CO2 brine as the secondary refrigerant is cooled with NH3 refrigerant and liquefied.

機械室Mの半地下GLに、CO2液溜器114と、液ポンプ116とが設けられている。CO2液化器110で冷却され液化したCO2ブラインは、CO2循環路112を通ってCO2液溜器114に貯留される。冷却庫01〜04に、夫々空気冷却器120a〜dが設けられている。CO2液溜器114に貯留されたCO2ブラインは、液ポンプ116によってCO2循環路118を介し空気冷却器120a〜dに送られる。空気冷却器120a〜dは、送風機126によって内部に空気流が形成されるケーシング122と、ケーシング122の内部に配設され、CO2循環路118に接続された冷却管124と、冷却管124の入口に設けられた流量調整弁128とを備えている。   In the semi-underground GL of the machine room M, a CO2 liquid reservoir 114 and a liquid pump 116 are provided. The CO2 brine cooled and liquefied by the CO2 liquefier 110 passes through the CO2 circulation path 112 and is stored in the CO2 liquid reservoir 114. Air coolers 120a to 120d are provided in the refrigerators 01 to 04, respectively. The CO2 brine stored in the CO2 liquid reservoir 114 is sent to the air coolers 120a to 120d by the liquid pump 116 via the CO2 circulation path 118. The air coolers 120a to 120d are a casing 122 in which an air flow is formed by the blower 126, a cooling pipe 124 disposed in the casing 122 and connected to the CO2 circulation path 118, and an inlet of the cooling pipe 124. And a flow rate adjusting valve 128 provided in the.

冷却管124で空気流を冷却し、一部が気化したCO2ブラインは、CO2循環路118からCO2液溜器114に戻る。CO2液溜器114に戻ったCO2ガスはCO2液化器110で冷却され液化して、CO2液溜器114に戻る。   The air stream is cooled by the cooling pipe 124, and the partially vaporized CO 2 brine returns from the CO 2 circulation path 118 to the CO 2 liquid reservoir 114. The CO 2 gas returned to the CO 2 liquid reservoir 114 is cooled and liquefied by the CO 2 liquefier 110 and returns to the CO 2 liquid reservoir 114.

NH3冷凍装置100の圧縮機104の能力は、予め各冷却庫01〜04の負荷の合計の最大値に見合った能力のものを選定しておく必要がある。一方、各空気冷却器120a〜dでは、最大負荷運転から停止状態まで、負荷の変動に応じて運転状態が異なる。そのため、圧縮機104の最大冷却能力からみると、通常のNH3冷凍装置100の利用率は低くなり、非効率な運転となると共に、イニシャルコスト及びランニングコストが高コストになっている。   The capacity of the compressor 104 of the NH3 refrigerating apparatus 100 needs to be selected in advance so as to meet the maximum total load of the respective refrigerators 01 to 04. On the other hand, in each air cooler 120a-d, the driving | running state differs according to the fluctuation | variation of load from a maximum load driving | operation to a stop state. Therefore, from the viewpoint of the maximum cooling capacity of the compressor 104, the utilization rate of the normal NH3 refrigeration apparatus 100 is low, resulting in inefficient operation, and high initial cost and running cost.

特許文献3には、かかる利用率の低下を解消する手段を具備した空気調和装置が開示されている。この空気調和装置は、2系統の冷凍装置とを備えており、複数の冷却室を冷却する場合に、冷却室の冷却負荷が一方の冷凍装置の圧縮機の最大能力以上を要求している時、他方の冷凍装置の液冷媒で冷房能力を補償することで、冷凍装置全体の設計時の最大能力を低く抑えることができるようにしている。   Patent Document 3 discloses an air conditioner including means for eliminating such a decrease in utilization rate. This air conditioner has two refrigeration units, and when cooling a plurality of cooling chambers, when the cooling load of the cooling chamber requires more than the maximum capacity of the compressor of one refrigeration unit By compensating the cooling capacity with the liquid refrigerant of the other refrigeration apparatus, the maximum capacity at the time of designing the entire refrigeration apparatus can be kept low.

特開2004−317081号公報JP 2004-317081 A 特開平10−47829号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-47829 特開昭63−204076号公報JP 63-204076 A

複数の冷却室を備えた冷却庫では、各冷却室の冷却温度は、被保冷物に応じてC級の10℃以下から、F級の−30℃以下と多様化してきている。例えば、図8において、冷却庫01はC2級(−2℃〜−10℃)、冷却庫02及び03はF1級(−20℃〜−30℃)、冷却庫04はC3級(10℃〜−2℃)で使用される。また、冷却庫01〜04の保冷温度は一定ではなく、需要に応じて変更される。そのため、これらのニーズに対応して、冷却温度が異なる複数の冷却庫を、効率良く、かつ低コストで運転できる冷却設備が求められている。   In a refrigerator equipped with a plurality of cooling chambers, the cooling temperature of each cooling chamber has been diversified from C class 10 ° C. or lower to F class −30 ° C. or lower depending on the object to be cooled. For example, in FIG. 8, the refrigerator 01 is C2 class (-2 ° C to -10 ° C), the refrigerators 02 and 03 are F1 class (-20 ° C to -30 ° C), and the refrigerator 04 is C3 class (10 ° C to 10 ° C). -2 ° C). Moreover, the cold storage temperature of the refrigerators 01 to 04 is not constant and is changed according to demand. Therefore, in response to these needs, there is a need for a cooling facility that can operate a plurality of refrigerators having different cooling temperatures efficiently and at low cost.

しかし、各冷却庫01〜04の冷却温度が異なると、空気冷却器120a〜dの出口における気液二相流のCO2ブラインの圧力は異なってくる。即ち、冷却温度が高いC級の冷却庫では、CO2ブラインの蒸発圧力は高くなり、冷却温度が低いF級の冷却庫でCO2ブラインの蒸発圧力は低くなる。そのため、図8の冷凍装置100のように、1系統のCO2循環路118に空気冷却器120a〜dの冷却管124が連結してあると、圧力が低いF級の冷却庫のCO2ブラインの戻りを阻害することになる。従って、冷却庫01〜04の冷却温度の変更に合わせて、空気冷却器120a〜dに供給するCO2ブライン量を調整することが必要になり、複雑な制御となる。なお、特許文献3に開示された空気調和装置は、保冷温度が異なる複数の冷却庫に対応できるものではない。   However, when the cooling temperatures of the refrigerators 01 to 04 are different, the pressure of the CO2 brine in the gas-liquid two-phase flow at the outlets of the air coolers 120a to 120d is different. That is, in the Class C refrigerator having a high cooling temperature, the evaporation pressure of the CO2 brine is high, and in the Class F refrigerator having a low cooling temperature, the evaporation pressure of the CO2 brine is low. Therefore, when the cooling pipes 124 of the air coolers 120a to 120d are connected to the CO2 circulation path 118 of one system as in the refrigeration apparatus 100 of FIG. 8, the return of the CO2 brine of the class F refrigerator having a low pressure is returned. Will be inhibited. Therefore, it is necessary to adjust the amount of CO2 brine supplied to the air coolers 120a to 120d in accordance with the change in the cooling temperature of the refrigerators 01 to 04, which is complicated control. In addition, the air conditioning apparatus disclosed by patent document 3 cannot respond | correspond to the several refrigerator with different cold storage temperature.

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、安全で環境を害しない閉鎖型ガス循環式冷凍装置と地球環境に無害なNH3冷媒を一次冷媒として用い、CO2ブラインを二次冷媒として用いた蒸気圧縮式冷凍装置とを併用し、冷却温度が異なる複数の冷却庫に対し、利用率が高く、かつ低コスト化が可能な冷却設備を実現することを目的とする。また、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応可能であり、かつ冷却庫の冷却温度の変動に柔軟に対応可能な冷却設備を実現することを目的とする。また、各冷却庫に設けられた空気冷却器から戻るCO2ブラインが他のCO2ブラインの流れを阻害しないようにすることを目的とする。   In view of the problems of the prior art, the present invention uses a closed gas circulation refrigerating apparatus that is safe and harmless to the environment, and NH3 refrigerant that is harmless to the global environment as a primary refrigerant and vapor compression that uses CO2 brine as a secondary refrigerant. The purpose is to realize a cooling facility that can be used at high cost and can be reduced in cost for a plurality of refrigerators having different cooling temperatures in combination with a refrigerator. Another object of the present invention is to realize a cooling facility that can cope with a wide range of cooling temperatures including an ultra-low temperature region and can flexibly cope with fluctuations in the cooling temperature of the refrigerator. It is another object of the present invention to prevent the CO2 brine returning from the air cooler provided in each refrigerator from obstructing the flow of other CO2 brines.

かかる目的を達成するため、本発明の冷却設備は、空気又は窒素ガスを冷媒とする閉鎖型ガス循環式冷凍装置と、NH3を冷媒とするNH3冷凍装置と、複数の冷却室に夫々配置された複数の空気冷却器と、該複数の空気冷却器に夫々CO2ブラインを供給する複数のブライン供給装置とを備えている。このように、−50℃以下の超低温域の冷媒温度を可能とする閉鎖型ガス循環式冷凍装置と、−50℃以上の温度域で冷却能力が高いNH3冷凍装置とを併用することで、COPを低下させることなく、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応可能になる。   In order to achieve such an object, the cooling equipment of the present invention is disposed in a closed type gas circulation refrigeration apparatus using air or nitrogen gas as a refrigerant, an NH3 refrigeration apparatus using NH3 as a refrigerant, and a plurality of cooling chambers, respectively. A plurality of air coolers and a plurality of brine supply devices for supplying CO2 brine to the plurality of air coolers, respectively. In this way, by using a closed gas circulation refrigeration apparatus that enables a refrigerant temperature in an ultra-low temperature range of −50 ° C. or less and an NH 3 refrigeration apparatus that has a high cooling capacity in a temperature range of −50 ° C. or more in combination, COP It is possible to cope with a wide range of cooling temperatures including an ultra-low temperature range without lowering.

本発明で用いられる閉鎖型ガス循環式冷凍装置は、駆動モータの単一の出力軸に連結された圧縮機及び膨張機と、該出力軸を回転自在に支持する磁気軸受と、該圧縮機から吐出した冷媒ガスを冷却する中間冷却器と、該膨張機から吐出された冷媒ガスとCO2ブラインとを熱交換させるブライン冷却器とを有している。このように、圧縮機と膨張機とが単一の出力軸に連結されているため、膨張機によって回収した動力で圧縮機の駆動に要する動力を軽減できる。   A closed-type gas circulation type refrigeration apparatus used in the present invention includes a compressor and an expander coupled to a single output shaft of a drive motor, a magnetic bearing that rotatably supports the output shaft, and a compressor. It has an intermediate cooler that cools the discharged refrigerant gas, and a brine cooler that exchanges heat between the refrigerant gas discharged from the expander and the CO 2 brine. Thus, since the compressor and the expander are connected to a single output shaft, the power required for driving the compressor can be reduced with the power recovered by the expander.

また、該出力軸を磁気軸受で回転自在に支持しているので、潤滑油が不要になると共に、冷媒として地球に無害な空気又は窒素ガスを用いるので、究極のゼロエミッションを達成できる。また、蒸気圧縮式冷凍装置より高いCOPで、−55℃以下の超低温への冷却が可能になる。そのため、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応できる。また、冷媒ガスが2MPa(ゲージ圧)以上の高圧にならないので、安全であり、かつ機器類に耐圧強度が不要となるので低コストとなる。   Further, since the output shaft is rotatably supported by a magnetic bearing, no lubricating oil is required, and air or nitrogen gas that is harmless to the earth is used as a refrigerant, so that ultimate zero emission can be achieved. In addition, cooling to an ultra-low temperature of −55 ° C. or lower is possible with a COP higher than that of the vapor compression refrigeration apparatus. Therefore, it can cope with a wide range of cooling temperatures including an ultra-low temperature region. Moreover, since the refrigerant gas does not become a high pressure of 2 MPa (gauge pressure) or more, it is safe and the pressure resistance strength is not required for the equipment, so that the cost is reduced.

NH3冷凍装置は、NH3循環路と、該NH3循環路に設けられ、CO2液化器を含む冷凍サイクル構成機器とを有している。NH3冷凍装置のCOPは、−50℃以上では閉鎖型ガス循環式冷凍装置より大きい。従って、冷却室の設定温度及び負荷に応じて、両者のどちらか一方又は両方を運転することで、全体として高い効率で運転できる。例えば、負荷が30%以下では閉鎖型ガス循環式冷凍装置のみを稼働させ、負荷が30%を超えたら、両方を稼働させるようにする。あるいは、負荷が大きい昼間は又は夏季等の時間帯においては両方を稼働させ、負荷が小さい夜間等の時間帯においては、閉鎖型ガス循環式冷凍装置のみ運転させ、低温のCO2ブラインを蓄熱するようにする。   The NH3 refrigeration apparatus includes an NH3 circulation path and refrigeration cycle components that are provided in the NH3 circulation path and include a CO2 liquefier. The COP of the NH3 refrigerating apparatus is larger than the closed gas circulation refrigerating apparatus at −50 ° C. or higher. Therefore, depending on the set temperature and load of the cooling chamber, it is possible to operate with high efficiency as a whole by operating either or both of them. For example, when the load is 30% or less, only the closed gas circulation refrigeration apparatus is operated, and when the load exceeds 30%, both are operated. Or, during the daytime when the load is high or in the time zone such as the summer, both are operated, and during the time zone such as the nighttime when the load is low, only the closed-type gas circulation refrigeration unit is operated to store the low-temperature CO2 brine. To.

本発明の空気冷却器は、ブライン供給装置から供給されるCO2ブラインが流れる冷却管と、該冷却管の表面に沿って空気流を形成する送風機とを有している。また、本発明のブライン供給装置は、ブライン冷却器で冷却されたCO2ブライン液及びCO2液化器で冷却されたCO2ブライン液を貯留するCO2液溜器と、CO2液溜器に貯留されたCO2ブライン液を空気冷却器に送る液ポンプとを有している。そして、ブライン冷却器及びブライン供給装置は、複数の冷却室毎に独立した配管系で構成されている。   The air cooler of the present invention includes a cooling pipe through which CO2 brine supplied from a brine supply device flows, and a blower that forms an air flow along the surface of the cooling pipe. Further, the brine supply device of the present invention includes a CO2 brine reservoir that stores a CO2 brine solution cooled by a brine cooler and a CO2 brine solution that is cooled by a CO2 liquefier, and a CO2 brine stored in the CO2 reservoir. And a liquid pump for sending the liquid to the air cooler. The brine cooler and the brine supply device are configured by independent piping systems for each of the plurality of cooling chambers.

このように、ブライン冷却器及びブライン供給装置が冷却室毎に独立して設けられているので、各冷却室に供給するCO2ブラインの量及び温度を冷却室毎に調整できる。そのため、冷却温度が異なる複数の冷却室を容易に設定温度に制御できると共に、冷却室の頻繁な設定温度の変更に対しても柔軟に対応できる。また、各ブライン冷却器のCO2ブラインの圧力が異なっても、他のCO2ブラインの流れを阻害し合うことがなくなる。   Thus, since the brine cooler and the brine supply device are provided independently for each cooling chamber, the amount and temperature of the CO 2 brine supplied to each cooling chamber can be adjusted for each cooling chamber. Therefore, it is possible to easily control a plurality of cooling chambers having different cooling temperatures to the set temperature, and to flexibly cope with frequent changes in the set temperature of the cooling chamber. Further, even if the pressure of the CO2 brine of each brine cooler is different, the flow of other CO2 brines is not disturbed.

本発明において、ブライン冷却器は、膨張機から吐出された冷媒ガスの流路に対して直列に配置され、冷却温度が低い冷却室に対応したブライン冷却器ほど冷媒ガス流路の上流側部位に配置されるとよい。このように、設定温度が低い冷却室に対応したブライン冷却器は、上流側に配置し、設定温度が高い冷却室に対応したブライン冷却器は、下流側に配置することで、冷媒ガスとCO2ブラインとの熱交換を高効率で行うことができる。そのため、冷却温度が異なる複数のCO2ブラインを所望の温度域に効率良く冷却できる。   In the present invention, the brine cooler is arranged in series with respect to the flow path of the refrigerant gas discharged from the expander, and the brine cooler corresponding to the cooling chamber having a lower cooling temperature is located closer to the upstream side portion of the refrigerant gas flow path. It should be arranged. As described above, the brine cooler corresponding to the cooling chamber having the low set temperature is arranged on the upstream side, and the brine cooler corresponding to the cooling chamber having the high set temperature is arranged on the downstream side, so that the refrigerant gas and the CO 2 Heat exchange with brine can be performed with high efficiency. Therefore, a plurality of CO2 brines having different cooling temperatures can be efficiently cooled to a desired temperature range.

本発明において、複数の冷却室に室内温度を検出する温度センサーが夫々設けられ、温度センサーの検出値が入力され、閉鎖型ガス循環式冷凍装置、NH3冷凍装置及び空気冷却器に設けられた送風機の駆動を制御すると共に、CO2液溜器から空気冷却器、ブライン冷却器及びCO2液化器に送るCO2ブラインの流量を制御し、複数の冷却室の冷却温度を設定温度に制御する制御装置を備えているとよい。これによって、設定温度が異なる複数の冷却室の温度を効率良くかつ正確に制御できる。例えば、閉鎖型ガス循環式冷凍装置を稼働させ、CO2液溜器に低温のCO2ブライン液を貯留しておけば、制御装置によって、CO2液溜器から空気冷却器、ブライン冷却器及びCO2液化器に送るCO2ブラインの流量とを制御することで、複数の冷却室をCO2液溜器に貯留されたCO2ブラインの温度以上の範囲で、任意の温度に制御することが可能になる。   In the present invention, a plurality of cooling chambers each provided with a temperature sensor for detecting a room temperature, and a detected value of the temperature sensor is input, and a blower provided in a closed-type gas circulation refrigeration apparatus, NH3 refrigeration apparatus, and air cooler Control device that controls the flow rate of CO2 brine sent from the CO2 liquid reservoir to the air cooler, brine cooler, and CO2 liquefier, and controls the cooling temperature of a plurality of cooling chambers to a set temperature. It is good to have. Thereby, the temperature of the plurality of cooling chambers having different set temperatures can be controlled efficiently and accurately. For example, if a closed-type gas circulation refrigeration system is operated and low-temperature CO2 brine is stored in the CO2 reservoir, the controller cools the air cooler, brine cooler, and CO2 liquefier from the CO2 reservoir. By controlling the flow rate of the CO2 brine to be sent to, it is possible to control the plurality of cooling chambers to an arbitrary temperature within a range equal to or higher than the temperature of the CO2 brine stored in the CO2 liquid reservoir.

本発明において、NH3冷凍装置が、ブライン供給装置毎に独立して複数設けるようにすることができる。かかる構成では、冷却室にCO2ブラインを供給する供給系統及び該CO2ブラインの温度制御装置を完全に独立させることができる。そのため、CO2ブライン及び該CO2ブラインが供給される冷却室の冷却温度を容易かつ正確に制御できる。また、冷却室に数に応じて複数のNH3冷凍装置を設けるため、個々のNH3冷凍装置を小型化できる。   In the present invention, a plurality of NH3 refrigeration apparatuses can be provided independently for each brine supply apparatus. In such a configuration, the supply system for supplying the CO2 brine to the cooling chamber and the temperature control device for the CO2 brine can be completely independent. Therefore, the cooling temperature of the CO2 brine and the cooling chamber to which the CO2 brine is supplied can be easily and accurately controlled. Further, since a plurality of NH3 refrigeration apparatuses are provided in the cooling chamber according to the number, each NH3 refrigeration apparatus can be reduced in size.

本発明において、NH3冷凍装置が、1系統のNH3循環路と、NH3循環路に設けられた1組の冷凍サイクル構成機器とを有し、CO2液化器がブライン供給装置毎に複数設けられ、複数のCO2液化器がNH3循環路に並列に接続されるようにしてもよい。これによって、1台のNH3冷凍装置を設ければよいので、設備を簡素化かつ低コスト化できる。   In the present invention, the NH3 refrigeration apparatus has one NH3 circulation path and a set of refrigeration cycle components provided in the NH3 circulation path, and a plurality of CO2 liquefiers are provided for each brine supply apparatus. The CO2 liquefier may be connected in parallel to the NH3 circuit. Accordingly, since only one NH3 refrigeration apparatus is provided, the facility can be simplified and the cost can be reduced.

本発明によれば、閉鎖型ガス循環式冷凍装置と、NH3冷凍装置と、複数の冷却室に夫々配置された複数の空気冷却器と、該複数の空気冷却器に夫々CO2ブラインを供給する複数のブライン供給装置とを備えているので、地球環境に無害で、冷却温度が異なる複数の冷却室を冷却するに際し、高い利用率と低コスト化が可能であると共に、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応でき、かつ冷却室の冷却温度の変動に柔軟に対応できる冷却設備を実現できる。また、各冷却室に設けられた空気冷却器から戻るCO2ブラインが他のCO2ブラインの流れを阻害するのを防止できる。   According to the present invention, a closed gas circulation refrigeration apparatus, an NH3 refrigeration apparatus, a plurality of air coolers respectively disposed in a plurality of cooling chambers, and a plurality of CO2 brines supplied to the plurality of air coolers, respectively. This system is equipped with a brine supply device that is harmless to the global environment and can cool multiple cooling chambers with different cooling temperatures, enabling high utilization and low costs, and a wide range of cooling including ultra-low temperatures. It is possible to realize a cooling facility that can respond to the temperature and can flexibly cope with fluctuations in the cooling temperature of the cooling chamber. Further, it is possible to prevent the CO2 brine returning from the air cooler provided in each cooling chamber from obstructing the flow of other CO2 brines.

本発明の第1実施形態に係る冷却設備の全体構成図である。It is a whole lineblock diagram of the cooling equipment concerning a 1st embodiment of the present invention. 前記第1実施形態に係る冷却設備の一部拡大図である。It is a partial enlarged view of the cooling facility which concerns on the said 1st Embodiment. 前記第1実施形態に係る冷却設備の制御装置を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control apparatus of the cooling equipment which concerns on the said 1st Embodiment. 前記第1実施形態に係る空気冷媒の温度勾配を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the temperature gradient of the air refrigerant which concerns on the said 1st Embodiment. 前記第1実施形態に係る冷却設備の負荷率の変動を示す線図である。It is a diagram which shows the fluctuation | variation of the load factor of the cooling facility which concerns on the said 1st Embodiment. 本発明の第2実施形態に係る冷却設備の全体構成図である。It is a whole block diagram of the cooling equipment which concerns on 2nd Embodiment of this invention. ガス循環式冷凍装置及び蒸気圧縮式冷凍装置のCOPを示す線図である。It is a diagram which shows COP of a gas circulation refrigerating apparatus and a vapor compression refrigerating apparatus. 従来のNH3冷凍装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the conventional NH3 freezing apparatus.

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention to that unless otherwise specified.

(実施形態1)
本発明装置の第1実施形態を図1〜図5に基づいて説明する。図1において、4階建ての建物5は、夫々の階に4室の冷却庫1〜4を有しており、本実施形態の冷却設備10Aは、冷却庫1〜4を夫々異なる冷却温度に冷却するものである。冷却設備10Aは、冷媒とする閉鎖型空気循環式冷凍装置12と、NH3を冷媒とする4台のNH3冷凍装置14a〜dと、各冷却庫1〜4に夫々設けられた4台の空気冷却器16a〜dと、各冷却庫1〜4に夫々CO2ブラインを供給する4台のブライン供給装置18a〜dとを備えている。
(Embodiment 1)
1st Embodiment of this invention apparatus is described based on FIGS. In FIG. 1, a four-story building 5 has four refrigerators 1 to 4 on each floor, and the cooling facility 10 </ b> A of this embodiment sets the refrigerators 1 to 4 to different cooling temperatures. It is to be cooled. The cooling facility 10A includes a closed-type air circulation refrigeration apparatus 12 that uses refrigerant, four NH3 refrigeration apparatuses 14a to 14d that use NH3 as a refrigerant, and four air cooling units provided in each of the refrigerators 1 to 4, respectively. Devices 16a to 16d and four brine supply devices 18a to 18d for supplying CO2 brine to the respective refrigerators 1 to 4, respectively.

閉鎖型空気循環式冷凍装置12は、建物5の屋上等に設けられている。閉鎖型空気循環式冷凍装置12は、冷媒としての空気が循環する冷媒循環路20に、圧縮膨張ユニット22と、水冷式熱交換器24と、熱回収用熱交換器26と、ブライン冷却器28a〜dとが設けられている。圧縮膨張ユニット22は、遠心式の圧縮機30と、駆動モーター32と、タービン式の膨張機34とから構成されている。圧縮機30及び膨張機34は、駆動モーター32の単一の回転軸32aに結合され同軸に回転する。   The closed-type air circulation refrigeration apparatus 12 is provided on the roof of the building 5 or the like. The closed-type air circulation type refrigeration apparatus 12 includes a compression / expansion unit 22, a water-cooled heat exchanger 24, a heat recovery heat exchanger 26, and a brine cooler 28a in a refrigerant circulation path 20 through which air as a refrigerant circulates. To d. The compression / expansion unit 22 includes a centrifugal compressor 30, a drive motor 32, and a turbine expander 34. The compressor 30 and the expander 34 are coupled to a single rotating shaft 32a of the drive motor 32 and rotate coaxially.

図2に示すように、回転軸32aを圧縮機30、駆動モーター32及び膨張機34のケーシング(図示省略)との間で回転自在に支持する軸受は磁気軸受36を使用している。そのため、潤滑油は不要となり、かつ冷媒ガスとして空気を使用するゼロエミッションの冷凍装置である。水冷式熱交換器24は、冷媒循環路20の圧縮機吐出側部位と、冷却水循環路38とに跨って設けられている。冷却水循環路38には、冷却水を矢印方向へ循環する冷却水ポンプ40と、水冷式熱交換器24で昇温した冷却水を冷却する冷却塔42が設けられている。   As shown in FIG. 2, a magnetic bearing 36 is used as a bearing that rotatably supports the rotating shaft 32 a between the compressor 30, the drive motor 32, and the casing (not shown) of the expander 34. Therefore, no lubricating oil is required, and the zero-emission refrigeration apparatus uses air as the refrigerant gas. The water-cooled heat exchanger 24 is provided across the compressor discharge side portion of the refrigerant circuit 20 and the cooling water circuit 38. The cooling water circulation path 38 is provided with a cooling water pump 40 that circulates the cooling water in the direction of the arrow and a cooling tower 42 that cools the cooling water heated by the water-cooled heat exchanger 24.

膨張機34の吐出側冷媒循環路20に、互いに独立した4個のブライン冷却器28a〜dが直列に設けられている。ブライン冷却器28a〜dで、膨張機34から吐出された空気とCO2ブラインとが熱交換し、CO2ブラインを冷却する。熱回収用熱交換器26は、水冷式熱交換器24の出口側の冷媒循環路20と、ブライン冷却器28a〜dの出口側冷媒循環路20とに跨って設けられている。   Four brine coolers 28a to 28d that are independent from each other are provided in series in the discharge-side refrigerant circulation path 20 of the expander 34. The brine coolers 28a to 28d exchange heat between the air discharged from the expander 34 and the CO2 brine to cool the CO2 brine. The heat recovery heat exchanger 26 is provided across the refrigerant circulation path 20 on the outlet side of the water-cooled heat exchanger 24 and the refrigerant circulation path 20 on the outlet side of the brine coolers 28a to 28d.

かかる構成において、冷媒として用いられる空気は、圧縮機30で断熱圧縮され、吐出圧力が2.0MPa以下の範囲で高温高圧となって吐出される。圧縮機30から吐出された空気は、水冷式熱交換器24で冷却水循環路38を循環する冷却水で一次冷却される。一次冷却された空気は、熱回収用熱交換器26でブライン冷却器28a〜dから戻った低温(−40℃〜−50℃)の空気で二次冷却される。二次冷却された空気は、膨張機34で断熱膨張され、超低温(−60℃〜−70℃)でかつ大気圧以下の低圧の空気となって吐出される。他方、ブライン冷却器28a〜dから戻った空気は、圧縮機30の吸入口に吸入される。   In such a configuration, the air used as the refrigerant is adiabatically compressed by the compressor 30 and discharged at a high temperature and high pressure within a discharge pressure range of 2.0 MPa or less. The air discharged from the compressor 30 is primarily cooled by the cooling water circulating in the cooling water circulation path 38 in the water-cooled heat exchanger 24. The primary cooled air is secondarily cooled by the low temperature (−40 ° C. to −50 ° C.) air returned from the brine coolers 28a to 28d by the heat recovery heat exchanger 26. The secondary-cooled air is adiabatically expanded by the expander 34 and discharged as ultra-low temperature (−60 ° C. to −70 ° C.) and low-pressure air below atmospheric pressure. On the other hand, the air returned from the brine coolers 28 a to 28 d is sucked into the suction port of the compressor 30.

ブライン冷却器28a〜dは、冷媒循環路20の上流側から、28c、28b、28a、28dの順に配置されている。ブライン冷却器28a〜dには、夫々ブライン循環路72a〜dが導設されている。即ち、ブライン冷却器28aにはブライン循環路72aが導設され、ブライン冷却器28bにはブライン循環路46bが導設され、ブライン冷却器28cにはブライン循環路72cが導設され、ブライン冷却器28dにはブライン循環路72dが夫々導設されている。ブライン循環路72a〜dは、互いに独立している。   The brine coolers 28a to 28d are arranged in the order of 28c, 28b, 28a, and 28d from the upstream side of the refrigerant circulation path 20. Brine circulation paths 72a to 72d are led to the brine coolers 28a to 28d, respectively. That is, a brine circulation path 72a is installed in the brine cooler 28a, a brine circulation path 46b is installed in the brine cooler 28b, and a brine circulation path 72c is installed in the brine cooler 28c. A brine circulation path 72d is led to 28d. The brine circulation paths 72a to 72d are independent of each other.

膨張機34から吐出された低温低圧の空気は、ブライン冷却器28a〜dで、上流側から順にブライン循環路72a〜dを流れるCO2ブラインガスと熱交換し、ガス状のCO2ブラインを冷却し液化させる。   The low-temperature and low-pressure air discharged from the expander 34 is subjected to heat exchange with the CO2 brine gas flowing in the brine circulation paths 72a to 72d in order from the upstream side by the brine coolers 28a to 28d, and the gaseous CO2 brine is cooled and liquefied. Let

4台のNH3冷凍装置14a〜dは、後述するブライン供給装置18a〜dに対して並列に配置され、同一構成を有している。NH3冷凍装置14aを例に取って、NH3冷凍装置14a〜dの構成を説明する。NH3冷凍装置14aは、冷媒としてNH3が循環するNH3循環路46aに、冷凍サイクル構成機器である圧縮機48aと、蒸発式凝縮器50aと、受液器52aと、膨張弁54aと、CO2液化器56aとが設けられている。圧縮機48aは駆動モーター49aで駆動され、圧縮機48aで断熱圧縮されたNH3冷媒は、蒸発式凝縮器50aで冷却されて液化する。液化したNH3冷媒は、受液器52aに一旦貯留され、その後、膨張弁54aを経て減圧され、CO2液化器56aに送られる。   The four NH3 refrigeration apparatuses 14a to 14d are arranged in parallel to the brine supply apparatuses 18a to 18d described later and have the same configuration. Taking the NH3 refrigerating apparatus 14a as an example, the configuration of the NH3 refrigerating apparatuses 14a to 14d will be described. The NH3 refrigerating apparatus 14a includes a compressor 48a, an evaporative condenser 50a, a liquid receiver 52a, an expansion valve 54a, a CO2 liquefier, which are refrigeration cycle components, in an NH3 circulation path 46a through which NH3 circulates as a refrigerant. 56a. The compressor 48a is driven by a drive motor 49a, and the NH3 refrigerant adiabatically compressed by the compressor 48a is cooled and liquefied by the evaporative condenser 50a. The liquefied NH3 refrigerant is temporarily stored in the liquid receiver 52a, then depressurized through the expansion valve 54a, and sent to the CO2 liquefier 56a.

CO2液化器56aには、後述するブライン循環路76aが導設されており、ブライン循環路76aからガス状のCO2ブラインが送られてくる。CO2液化器56aで、NH3冷媒はガス状のCO2ブラインを冷却して液化する。液化したCO2ブラインは後述するCO2液溜器64aに戻る。   The CO2 liquefier 56a is provided with a brine circulation path 76a which will be described later, and gaseous CO2 brine is sent from the brine circulation path 76a. In the CO2 liquefier 56a, the NH3 refrigerant cools and liquefies gaseous CO2 brine. The liquefied CO2 brine returns to the CO2 reservoir 64a described later.

各冷却庫1〜4内の上部内部に夫々空気冷却器16a〜dが配設され、空気冷却器16a〜dの構成を、空気冷却器16aを例に取って説明する。冷却庫1内の空気を導入自在な開口をもつケーシング58aが設けられ、ケーシング58a内に蛇行形成されたブライン蒸発管60aが設けられている。ブライン蒸発管60aは、後述するブライン循環路66aに接続されている。また、ケーシング58aの開口出口に送風機62aが設けられ、送風機62aによってブライン蒸発管60aの表面に沿う空気流が形成される。   Air coolers 16a to 16d are arranged in the upper portions of the respective coolers 1 to 4, and the configuration of the air coolers 16a to 16d will be described by taking the air cooler 16a as an example. A casing 58a having an opening through which air in the refrigerator 1 can be introduced is provided, and a brine evaporation pipe 60a meanderingly formed in the casing 58a. The brine evaporation pipe 60a is connected to a brine circulation path 66a described later. Moreover, the air blower 62a is provided in the opening exit of the casing 58a, and the air flow along the surface of the brine evaporation pipe | tube 60a is formed by the air blower 62a.

ブライン蒸発管60aにはブライン循環路66aから液状のCO2ブラインが送られてくる。液状のCO2ブラインはブライン蒸発管60aで空気流と熱交換し、該空気流を冷却すると共に、自身は一部が気化する。   Liquid CO2 brine is sent from the brine circulation path 66a to the brine evaporation pipe 60a. The liquid CO2 brine exchanges heat with the air flow in the brine evaporation pipe 60a, cools the air flow, and partially vaporizes itself.

次に、4台のブライン供給装置18a〜dの構成を、ブライン供給装置18aを例に取って説明する。建物5の近傍に、CO2液溜器64a〜dが設けられている。CO2液溜器64aと空気冷却器16aとの間に、ブライン循環路66aが設けられている。CO2液溜器64aから空気冷却器16aに液状のCO2ブラインを送るブライン循環路66aの往路は、CO2液溜器64aの下部液溜部に接続されている。該往路に液ポンプ68a及び液ポンプ68aの下流側部位に流量調整弁70aが設けられている。   Next, the configuration of the four brine supply devices 18a to 18d will be described by taking the brine supply device 18a as an example. In the vicinity of the building 5, CO2 reservoirs 64a to 64d are provided. A brine circulation path 66a is provided between the CO2 liquid reservoir 64a and the air cooler 16a. The forward path of the brine circulation path 66a for sending the liquid CO2 brine from the CO2 liquid reservoir 64a to the air cooler 16a is connected to the lower liquid reservoir of the CO2 liquid reservoir 64a. A fluid pump 68a and a flow rate adjusting valve 70a are provided on the downstream side of the fluid pump 68a in the forward path.

CO2液溜器64aとブライン冷却器28との間にブライン循環路72aが設けられている。CO2液溜器64aからブライン冷却器28aにガス状のCO2ブラインを送るブライン循環路72aの往路は、CO2液溜器64aの上部に接続されている。また、該往路に流量調整弁74aが設けられている。該往路からガス状のCO2ブラインがブライン冷却器28aに送られ、ガス状のCO2ブラインはブライン冷却器28aで冷却されて液化され、CO2液溜器64aに戻る。同様に、ブライン循環路72bはCO2液溜器64bとブライン冷却器28bとの間に設けられ、ブライン循環路72cはCO2液溜器64cとブライン冷却器28cとの間に設けられ、ブライン循環路72dはCO2液溜器64dとブライン冷却器28dとの間に設けられている。   A brine circulation path 72 a is provided between the CO 2 liquid reservoir 64 a and the brine cooler 28. The forward path of the brine circulation path 72a for sending gaseous CO2 brine from the CO2 liquid reservoir 64a to the brine cooler 28a is connected to the upper part of the CO2 liquid reservoir 64a. Further, a flow rate adjusting valve 74a is provided in the forward path. Gaseous CO2 brine is sent to the brine cooler 28a from the forward path, and the gaseous CO2 brine is cooled and liquefied by the brine cooler 28a, and returns to the CO2 reservoir 64a. Similarly, the brine circulation path 72b is provided between the CO2 liquid reservoir 64b and the brine cooler 28b, and the brine circulation path 72c is provided between the CO2 liquid reservoir 64c and the brine cooler 28c. 72d is provided between the CO2 reservoir 64d and the brine cooler 28d.

さらに、CO2液溜器64aとCO2液化器56aとの間にブライン循環路76aが設けられている。CO2液溜器64aからブライン冷却器28aにガス状のCO2ブラインを送るブライン循環路72aの往路に、流量調整弁76aが設けられている。該往路からガス状のCO2ブラインがCO2液化器56aに送られ、ガス状のCO2ブラインはCO2液化器56aで冷却され液化してCO2液溜器64aに戻る。   Further, a brine circulation path 76a is provided between the CO2 liquid reservoir 64a and the CO2 liquefier 56a. A flow rate adjusting valve 76a is provided in the forward path of the brine circulation path 72a for sending gaseous CO2 brine from the CO2 liquid reservoir 64a to the brine cooler 28a. Gaseous CO2 brine is sent to the CO2 liquefier 56a from the forward path, and the gaseous CO2 brine is cooled and liquefied by the CO2 liquefier 56a and returns to the CO2 reservoir 64a.

かかる構成において、CO2液溜器64aから液状のCO2ブラインが液ポンプ68aで空気冷却器16aに送られ、液状のCO2ブラインはブライン蒸発管60aで空気流と熱交換して該空気流を冷却する。ブライン蒸発管60aで一部が気化したCO2ブラインはCO2液溜器64aに戻る。また、CO2液溜器64a内のガス状のCO2ブラインは、CO2液溜器64aより上方に位置するブライン冷却器28aに自然循環で移動する。ブライン冷却器28aに移動したガス状のCO2ブラインは、ブライン冷却器28aで空気冷媒によって冷却され、液化してCO2液溜器64aに流下する。   In such a configuration, liquid CO2 brine is sent from the CO2 liquid reservoir 64a to the air cooler 16a by the liquid pump 68a, and the liquid CO2 brine is heat-exchanged with the airflow by the brine evaporation pipe 60a to cool the airflow. . The CO2 brine partially vaporized in the brine evaporation pipe 60a returns to the CO2 liquid reservoir 64a. The gaseous CO2 brine in the CO2 reservoir 64a moves by natural circulation to the brine cooler 28a located above the CO2 reservoir 64a. The gaseous CO2 brine that has moved to the brine cooler 28a is cooled by the air refrigerant in the brine cooler 28a, liquefied, and flows down to the CO2 reservoir 64a.

同様に、CO2液溜器64a内のガス状のCO2ブラインは、CO2液溜器64aより上方に位置するCO2液化器56aに自然循環で移動する。CO2液化器56aに移動したガス状のCO2ブラインは、CO2液化器56aでNH3冷媒によって冷却され、液化してCO2液溜器64aに戻る。他の冷却庫2〜4を冷却する3系統の冷却装置も同様に動作する。CO2液溜器64aに接続されたブライン循環路66a、72a及び76aと、他の3系統のブライン供給装置18a〜dに属するブライン循環路とは、互いに独立して設けられている。図1〜図4においては、4系統の冷却装置において、同一の機器又は部位に対して同一の番号を付し、番号の後に付したアルファベット文字(a〜d)でどの系統の冷却装置に属するかを識別している。   Similarly, the gaseous CO2 brine in the CO2 reservoir 64a moves by natural circulation to the CO2 liquefier 56a located above the CO2 reservoir 64a. The gaseous CO2 brine moved to the CO2 liquefier 56a is cooled by the NH3 refrigerant in the CO2 liquefier 56a, liquefied, and returns to the CO2 liquid reservoir 64a. The three cooling systems that cool the other refrigerators 2 to 4 operate in the same manner. The brine circulation paths 66a, 72a and 76a connected to the CO2 liquid reservoir 64a and the brine circulation paths belonging to the other three systems of brine supply devices 18a to 18d are provided independently of each other. In FIG. 1 to FIG. 4, in the four systems of cooling devices, the same number is assigned to the same device or part, and the alphabetical characters (a to d) attached after the number belong to which system of cooling device. Has been identified.

図3は冷却設備10Aの制御系を示す。冷却庫1〜4には、夫々庫内温度を検出する温度センサー82a〜dが設けられている。温度センサー82a〜dの検出値は制御装置80に入力される。制御装置80では、温度センサー82a〜dの検出値に基づいて、圧縮膨張ユニット22の駆動モーター32、圧縮機48a〜dの駆動モーター49a〜d、送風機62a〜dの駆動モーター63a〜d、及び流量調整弁70a〜d、74a〜d及び78a〜dを制御する。これによって、冷却庫1〜4の庫内温度を設定温度に制御している。   FIG. 3 shows a control system of the cooling facility 10A. The refrigerators 1 to 4 are provided with temperature sensors 82a to 82d for detecting the internal temperature. Detection values of the temperature sensors 82 a to 82 d are input to the control device 80. In the control device 80, based on the detection values of the temperature sensors 82a to 82d, the drive motor 32 of the compression / expansion unit 22, the drive motors 49a to 49d of the compressors 48a to 48d, the drive motors 63a to 63d of the blowers 62a to 62d, and The flow rate adjustment valves 70a to 70d, 74a to 74d, and 78a to 78d are controlled. Thereby, the internal temperature of the refrigerators 1 to 4 is controlled to the set temperature.

従来、冷却設備10Aの圧縮機等の能力は、各冷却庫1〜4の負荷の最大値に見合った能力を有するものが選定されている。一方、冷却庫1〜4の通常使用時には、当初設定された負荷の最大値の30〜50%で運転されている。本実施形態では、空気冷却器16a〜dでの負荷変動が当初設定された負荷の最大値の30%程度のときには、閉鎖型空気循環式冷凍装置12のみを運転させる。即ち、閉鎖型空気循環式冷凍装置12でCO2ブラインを冷却液化させ、CO2液溜器64a〜dに貯留する。このCO2ブラインを冷却庫1〜4の空気冷却器16a〜dに送り、冷却庫1〜4を冷却する。   Conventionally, the capacity of the cooling facility 10A such as a compressor has been selected to have a capacity corresponding to the maximum load of each of the refrigerators 1 to 4. On the other hand, at the time of normal use of the refrigerators 1 to 4, it is operated at 30 to 50% of the maximum value of the initially set load. In this embodiment, when the load fluctuation in the air coolers 16a to 16d is about 30% of the maximum load value initially set, only the closed air circulation refrigeration apparatus 12 is operated. That is, CO2 brine is cooled and liquefied by the closed air circulation type refrigeration apparatus 12 and stored in the CO2 reservoirs 64a to 64d. This CO2 brine is sent to the air coolers 16a to 16d of the refrigerators 1 to 4, and the refrigerators 1 to 4 are cooled.

各冷却庫1〜4は、夫々異なった冷却負荷率で運転される。例えば、冷却庫1(1F)の冷却負荷率は30%となり、冷却庫2(2F)の冷却負荷率は40%となり、冷却庫3(3F)の冷却負荷率は50%となり、冷却庫4(4F)の冷却負荷率は40%となるとする。冷却負荷率が30%である冷却庫1(1F)は、閉鎖型空気循環式冷凍装置12のみの稼働でCO2ブラインを冷却する。そのため、NH3冷凍装置14aは稼働させない。冷却負荷率が40〜50%である冷却庫2〜4(2〜4F)は、閉鎖型空気循環式冷凍装置12及びNH3冷凍装置14b〜dを併用し、これらの運転でCO2ブラインを冷却する。   Each of the refrigerators 1 to 4 is operated at a different cooling load factor. For example, the cooling load factor of the refrigerator 1 (1F) is 30%, the cooling load factor of the refrigerator 2 (2F) is 40%, the cooling load factor of the refrigerator 3 (3F) is 50%, and the refrigerator 4 Assume that the cooling load factor of (4F) is 40%. The refrigerator 1 (1F) having a cooling load factor of 30% cools the CO2 brine by operating only the closed air circulation refrigeration apparatus 12. Therefore, the NH3 refrigeration apparatus 14a is not operated. The refrigerators 2 to 4 (2 to 4F) having a cooling load factor of 40 to 50% use the closed air circulation refrigeration device 12 and the NH3 refrigeration devices 14b to d together to cool the CO2 brine in these operations. .

また、冷却庫1〜4の冷却温度も、被保冷物によってC級(10℃以下)からF級(−30℃以下)と夫々異なる設定温度となる。例えば、冷却庫1(1F)はC2級(−2℃〜−10℃)に、冷却庫2(2F)及び冷却庫3(3F)はF1級(−20℃〜−30℃)に、冷却庫4(4F)はC3級(10℃〜−2℃)に設定されるとする。   In addition, the cooling temperatures of the refrigerators 1 to 4 are also set temperatures different from the C class (10 ° C. or lower) to the F class (−30 ° C. or lower) depending on the object to be cooled. For example, cooler 1 (1F) is cooled to class C2 (-2 ° C to -10 ° C), cooler 2 (2F) and cooler 3 (3F) is cooled to class F1 (-20 ° C to -30 ° C). The storage 4 (4F) is assumed to be set to C3 class (10 ° C to -2 ° C).

図4に、冷媒循環路20の空気冷媒の温度、及び各ブライン冷却器28a〜dにおけるCO2ブラインの温度を示す。図4に示すように、膨張機34の出口の空気冷媒温度は−70℃であり、熱回収用熱交換器26の入口における空気冷媒温度は−50℃である。温度差ΔT=20℃の冷熱がブライン冷却器28a〜dに分配されて、CO2ブラインを冷却液化する。温度差ΔTが20℃となる熱交換が最も効率が良い。   FIG. 4 shows the temperature of the air refrigerant in the refrigerant circuit 20 and the temperature of the CO2 brine in each of the brine coolers 28a to 28d. As shown in FIG. 4, the air refrigerant temperature at the outlet of the expander 34 is −70 ° C., and the air refrigerant temperature at the inlet of the heat recovery heat exchanger 26 is −50 ° C. Cold heat with a temperature difference ΔT = 20 ° C. is distributed to the brine coolers 28a-d to cool and liquefy the CO 2 brine. Heat exchange with a temperature difference ΔT of 20 ° C. is the most efficient.

例えば、冷却庫1(1F)は、ブライン冷却器28aで冷却液化された−10℃のCO2ブラインが、CO2液溜器64aを介して空気冷却器16aに送られる。冷却庫4(4F)は、ブライン冷却器28dで冷却液化された−5℃の低温のCO2ブライン液が、CO2液溜器64dを介して空気冷却器16dに送られる。冷却庫2(2F)及び冷却庫3(3F)は、ブライン冷却器28b及び28cで冷却液化された−35℃〜−30℃の低温のCO2ブライン液が、CO2液溜器64b及び64cを介して送られる。   For example, in the refrigerator 1 (1F), −10 ° C. CO 2 brine cooled and liquefied by the brine cooler 28a is sent to the air cooler 16a via the CO 2 reservoir 64a. In the refrigerator 4 (4F), a low-temperature CO2 brine liquid at −5 ° C. that has been liquefied by the brine cooler 28d is sent to the air cooler 16d via the CO2 liquid reservoir 64d. In the cooler 2 (2F) and the cooler 3 (3F), the low temperature CO2 brine liquid of −35 ° C. to −30 ° C. cooled and liquefied by the brine coolers 28b and 28c passes through the CO2 liquid reservoirs 64b and 64c. Sent.

本実施形態によれば、閉鎖型空気循環式冷凍装置12においては、圧縮機30の駆動に要する動力を膨張機34で回収した動力で軽減できるので省エネとなる。また、駆動モーター32の出力軸32aを磁気軸受36で支持しているので、潤滑油が不要になると共に、地球に無害な空気冷媒を用いているので、究極のゼロエミッションを達成できる。また、蒸気圧縮式冷凍装置より高いCOPで、空気冷媒を−55℃以下の超低温へ冷却でき、そのため、超低温域を含む広範囲な冷却温度に対応できる。また、冷媒ガスが2MPa(ゲージ圧)以上の高圧にならないので、安全であり、機器類に耐圧強度が不要となるので低コストとなる。   According to this embodiment, in the closed type air circulation type refrigeration apparatus 12, the power required for driving the compressor 30 can be reduced by the power recovered by the expander 34, so that energy is saved. Further, since the output shaft 32a of the drive motor 32 is supported by the magnetic bearing 36, no lubricating oil is required and an air refrigerant that is harmless to the earth is used, so that the ultimate zero emission can be achieved. In addition, the air refrigerant can be cooled to an ultra-low temperature of −55 ° C. or lower with a COP higher than that of the vapor compression refrigeration apparatus, and thus can cope with a wide range of cooling temperatures including an ultra-low temperature region. Further, since the refrigerant gas does not become a high pressure of 2 MPa (gauge pressure) or more, it is safe, and the pressure resistance strength is not required for the equipment, resulting in a low cost.

また、閉鎖型空気循環式冷凍装置12又はNH3冷凍装置14a〜dを併用することで、超低温域を含む広い温度範囲の冷却に対応できる。また、これらの冷凍装置をCOPが高い温度域で運転させることで、全体として高いCOPを維持できる。また、これらの冷凍装置の併用又は単独使用を使い分けることで、通常の利用率を高めることができる。そのため、設備費及びランニングコストを節減できる。   Moreover, it can respond to cooling of the wide temperature range including a very low temperature range by using together the closed type air circulation type | mold refrigerating device 12 or NH3 freezing device 14a-d. Moreover, high COP can be maintained as a whole by operating these refrigeration apparatuses in a temperature range where COP is high. Moreover, a normal utilization factor can be raised by using together these refrigeration apparatuses, or using separately. Therefore, equipment costs and running costs can be reduced.

また、図5に示すように、昼間や夏季、冬季等のように、冷却庫1〜4の負荷率が高い時間帯Cにおいては、閉鎖型空気循環式冷凍装置12及びNH3冷凍装置14a〜dを併用する。一方、深夜等のように、冷却庫1〜4の負荷率が低い時間帯Dにおいては、閉鎖型空気循環式冷凍装置12を稼働させ、低温のCO2ブラインをCO2液溜器64a〜dに蓄熱する。そして、時間帯Dで蓄熱した冷熱を負荷率が高い時間帯Cで用いるようにする。これによって、負荷の変動に対して柔軟に対応できる。   Moreover, as shown in FIG. 5, in the time zone C where the load factor of the refrigerators 1 to 4 is high, such as in the daytime, summer, and winter, the closed air circulation refrigeration apparatus 12 and the NH3 refrigeration apparatuses 14a to 14d. Use together. On the other hand, in the time zone D in which the load factor of the refrigerators 1 to 4 is low, such as at midnight, the closed air circulation refrigeration apparatus 12 is operated, and the low-temperature CO2 brine is stored in the CO2 reservoirs 64a to 64d. To do. The cold energy stored in the time zone D is used in the time zone C where the load factor is high. As a result, it is possible to flexibly cope with load fluctuations.

また、ブライン冷却器28a〜d及びブライン循環路66a〜d、72a〜d及び76a〜dが、各冷却庫1〜4を冷却する4系統の冷却装置毎に独立して設けられているので、各冷却庫1〜4に供給するCO2ブラインの量及び温度を冷却庫毎に調整するのが容易になる。そのため、冷却庫1〜4の冷却温度が異なる場合でも、容易に冷却温度への調整が容易であると共に、冷却庫1〜4の頻繁な冷却温度の変更に対しても柔軟に対応できる。また、ブライン冷却器28a〜d及びブライン供給装置18a〜dの配管系が独立しているので、各ブライン冷却器28a〜dのCO2ブラインの圧力が異なっても、互いに影響を及ぼし合うことがなく、そのため、他のCO2ブラインの流れを阻害しない。   Moreover, since the brine coolers 28a-d and the brine circulation paths 66a-d, 72a-d, and 76a-d are provided independently for each of the four cooling devices that cool the coolers 1 to 4, It becomes easy to adjust the amount and temperature of the CO2 brine supplied to each of the refrigerators 1 to 4 for each refrigerator. Therefore, even when the cooling temperatures of the refrigerators 1 to 4 are different, the adjustment to the cooling temperature is easy, and it is possible to flexibly cope with frequent changes in the cooling temperatures of the refrigerators 1 to 4. Further, since the piping systems of the brine coolers 28a to 28d and the brine supply devices 18a to 18d are independent, even if the CO2 brine pressures of the brine coolers 28a to 28d are different, they do not affect each other. Therefore, it does not hinder the flow of other CO2 brine.

また、ブライン冷却器28a〜dを冷媒循環路20に対して直列に配置すると共に、冷却温度が低い冷却庫に対応したブライン冷却器ほど冷媒循環路20の上流側部位に配置されているので、各ブライン冷却器28a〜dでCO2ブラインの温度を所望の温度に効率良く調整できる。また、制御装置80によって、温度センサー82a〜dの検出値に基づいて、圧縮機30の駆動モーター32、圧縮機48a〜dの駆動モーター49a〜d、及び送風機62a〜dの駆動モーター63a〜dを制御すると共に、流量調整弁70a〜d、74a〜d及び78a〜dの開度を制御しているので、冷却温度が異なる複数の冷却庫1〜4の庫内温度を任意の温度に正確に制御できる。   Further, the brine coolers 28a to 28d are arranged in series with respect to the refrigerant circulation path 20, and the brine cooler corresponding to the cooler having a low cooling temperature is arranged at the upstream side portion of the refrigerant circulation path 20, Each brine cooler 28a-d can efficiently adjust the temperature of the CO2 brine to a desired temperature. Further, the control device 80 drives the drive motor 32 of the compressor 30, the drive motors 49a to 49d of the compressors 48a to 48d, and the drive motors 63a to 63d of the blowers 62a to d based on the detection values of the temperature sensors 82a to 82d. Since the opening degree of the flow rate adjusting valves 70a to d, 74a to d and 78a to d is controlled, the inside temperatures of the plurality of refrigerators 1 to 4 having different cooling temperatures are accurately set to arbitrary temperatures. Can be controlled.

また、NH3冷凍装置14a〜dが4系統の冷却装置毎に別々に設けられているので、NH3冷凍装置を複数に分割して配置できるなど、NH3冷凍装置14a〜dを小型化できる。また、冷却庫1〜4が低負荷のとき、閉鎖型空気循環式冷凍装置12を稼働させ、低温のCO2ブラインを蓄熱しておけば、高負荷時にこのCO2ブラインを利用でき、負荷の変動に対して柔軟に対応できる。   In addition, since the NH3 refrigeration apparatuses 14a to 14d are separately provided for each of the four systems of the cooling apparatuses, the NH3 refrigeration apparatuses 14a to 14d can be reduced in size, for example, the NH3 refrigeration apparatus can be divided and arranged. In addition, when the refrigerators 1 to 4 have a low load, if the closed-type air circulation type refrigeration apparatus 12 is operated and the low-temperature CO2 brine is stored, this CO2 brine can be used at a high load, and the load changes. It can respond flexibly.

(実施形態2)
次に、本発明装置の第2実施形態を図6により説明する。図6に示す本実施形態の冷却設備10Bにおいて、NH3冷凍装置84は、1系統のNH3循環路86に、冷凍サイクル構成機器である、圧縮機88及びその駆動モーター89、蒸発式凝縮器90、及び受液器92が設けられている。受液器92の下流側NH3循環路86は4本の分岐循環路94a〜dに分岐している。各分岐循環路94a〜dには、電磁開閉弁96a〜d及びその下流側部位に膨張弁98a〜dが設けられている。各分岐循環路94a〜dにはCO2液化器56a〜dが設けられ、各CO2液化器56a〜dとCO2液溜器64a〜dとの間に、ブライン循環路76a〜dが設けられている。電磁開閉弁96a〜dは制御装置80によってその開閉動作を制御される。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the device of the present invention will be described with reference to FIG. In the cooling facility 10B of the present embodiment shown in FIG. 6, the NH3 refrigerating device 84 includes a compressor 88 and its driving motor 89, an evaporative condenser 90, which are refrigeration cycle components, in one NH3 circulation path 86. And a liquid receiver 92 is provided. The downstream NH3 circulation path 86 of the liquid receiver 92 is branched into four branch circulation paths 94a to 94d. Each branch circulation path 94a to 94d is provided with electromagnetic open / close valves 96a to 96d and expansion valves 98a to 98d on the downstream side thereof. Each branch circulation path 94a-d is provided with CO2 liquefiers 56a-d, and brine circulation paths 76a-d are provided between the CO2 liquefiers 56a-d and CO2 liquid reservoirs 64a-d. . The electromagnetic on / off valves 96a to 96d are controlled to open / close by the controller 80.

前記第1実施形態では、制御装置80は駆動モーター49a〜dを制御するが、本実施形態では、制御装置80は駆動モーター89を制御する。また、本実施形態では、NH3冷媒は受液器92の下流側で各分岐循環路94a〜dに分岐し、膨張弁98a〜dで減圧されて各CO2液化器56a〜dに流入する。各分岐循環路94a〜dの開閉及び各分岐循環路94a〜dに流入するNH3冷媒の流量は、制御装置80で電磁開閉弁96a〜dを制御することで調整される。各CO2液化器56a〜dで、NH3冷媒は、ブライン循環路76a〜dから送られたCO2ブラインを冷却液化する。その他の構成及び動作は前記第1実施形態と同一である。   In the first embodiment, the control device 80 controls the drive motors 49a to 49d. However, in this embodiment, the control device 80 controls the drive motor 89. In the present embodiment, the NH3 refrigerant branches into the branch circulation paths 94a to 94d on the downstream side of the liquid receiver 92, is decompressed by the expansion valves 98a to 98d, and flows into the CO2 liquefiers 56a to 56d. The opening / closing of the branch circulation paths 94a to 94d and the flow rate of the NH3 refrigerant flowing into the branch circulation paths 94a to 94d are adjusted by controlling the electromagnetic opening / closing valves 96a to 96d by the control device 80. In each CO2 liquefier 56a-d, the NH3 refrigerant cools and liquefies the CO2 brine sent from the brine circulation paths 76a-d. Other configurations and operations are the same as those in the first embodiment.

本実施形態によれば、第1実施形態で得られる作用効果に加えて、1台のNH3冷凍装置84を設ければよいので、第1実施形態と比べて、設備コストを節減できる。また、NH3冷凍装置84の設置スペースに余裕ができるので、CO2液化器56a〜dをすべてCO2液溜器64a〜dの上方位置に配置するのが容易になる。従って、CO2液化器56a〜dで液化したCO2ブラインを自然循環でCO2液溜器64a〜dに戻すのが容易になる。   According to the present embodiment, in addition to the operational effects obtained in the first embodiment, it is only necessary to provide one NH 3 refrigeration apparatus 84, so that the equipment cost can be reduced compared to the first embodiment. Further, since the installation space for the NH3 refrigerating device 84 can be afforded, it is easy to arrange all the CO2 liquefiers 56a to 56d above the CO2 reservoirs 64a to 64d. Therefore, it becomes easy to return the CO2 brine liquefied by the CO2 liquefiers 56a to 56d to the CO2 reservoirs 64a to 64d by natural circulation.

本発明によれば、地球環境に無害で、異なる冷却温度を有する複数の冷却室に対して、利用率が高く、低コストでかつ高効率の冷却設備を実現できる。   According to the present invention, it is possible to realize a cooling facility having a high utilization rate, low cost, and high efficiency for a plurality of cooling chambers that are harmless to the global environment and have different cooling temperatures.

1〜4、01〜04 冷却庫
5、05 建物
10A、10B 冷却設備
12 閉鎖型空気循環式冷凍装置
14a〜d、84,100 NH3冷凍装置
16a〜d、120a〜d 空気冷却器
18a〜d ブライン供給装置
20 冷媒循環路
22 圧縮膨張ユニット
24 水冷式熱交換器
26 熱回収用熱交換器
28a〜d ブライン冷却器
30、48a〜d、88,104 圧縮機
32、49a〜d、63a〜d、89 駆動モーター
32a 回転軸
34 膨張機
36 磁気軸受
38 冷却水循環路
40 冷却水ポンプ
42 冷却塔
46a〜d、86,102 NH3循環路
50a〜d、90 蒸発式凝縮器
52a〜d、92 受液器
54a〜d、98a〜d、108 膨張弁
56a〜d、110 CO2液化器
58a〜d、122 ケーシング
60a〜d ブライン蒸発管
62a〜d、126 送風機
64a〜d、114 CO2液溜器
66a〜d、72a〜d、76a〜d ブライン循環路
68a〜d、116 液ポンプ
70a〜d、74a〜d、78a〜d、128 流量調整弁
80 制御装置
82a〜d 温度センサー
94a〜d 分岐循環路
96a〜d 電磁開閉弁
106 凝縮器
112,118 CO2循環路
124 冷却管
1-4, 01-04 Refrigerator 5,05 Building 10A, 10B Cooling equipment 12 Closed air circulation refrigeration system 14a-d, 84,100 NH3 refrigeration system 16a-d, 120a-d Air cooler 18a-d Brine Supply device 20 Refrigerant circuit 22 Compression / expansion unit 24 Water-cooled heat exchanger 26 Heat recovery heat exchanger 28a-d Brine cooler 30, 48a-d, 88, 104 Compressor 32, 49a-d, 63a-d, 89 Drive motor 32a Rotating shaft 34 Expander 36 Magnetic bearing 38 Cooling water circulation path 40 Cooling water pump 42 Cooling tower 46a-d, 86, 102 NH3 circulation path 50a-d, 90 Evaporating condensers 52a-d, 92 Receiver 54a-d, 98a-d, 108 expansion valve 56a-d, 110 CO2 liquefier 58a-d, 122 casing 60a-d IN evaporating pipe 62a-d, 126 Blower 64a-d, 114 CO2 liquid reservoir 66a-d, 72a-d, 76a-d Brine circulation path 68a-d, 116 Liquid pump 70a-d, 74a-d, 78a-d 128 Flow control valve 80 Controller 82a-d Temperature sensor 94a-d Branch circuit 96a-d Electromagnetic on-off valve 106 Condenser 112, 118 CO2 circuit 124 Cooling pipe

Claims (5)

空気又は窒素ガスを冷媒とする閉鎖型ガス循環式冷凍装置と、NH3を冷媒とするNH3冷凍装置と、複数の冷却室に夫々配置された複数の空気冷却器と、該複数の空気冷却器に夫々CO2ブラインを供給する複数のブライン供給装置とを備え、
前記閉鎖型ガス循環式冷凍装置は、駆動モータの単一の出力軸に連結された圧縮機及び膨張機と、該出力軸を回転自在に支持する磁気軸受と、該圧縮機から吐出した冷媒ガスを冷却する中間冷却器と、該膨張機から吐出された冷媒ガスとCO2ブラインとを熱交換させるブライン冷却器とを有し、
前記NH3冷凍装置は、NH3循環路と、該NH3循環路に設けられ、CO2液化器を含む冷凍サイクル構成機器とを有し、
前記空気冷却器は、前記ブライン供給装置から供給されるCO2ブラインが流れる冷却管と、該冷却管の表面に沿って空気流を形成する送風機とを有し、
前記ブライン供給装置は、前記ブライン冷却器で冷却されたCO2ブライン液及び前記CO2液化器で冷却されたCO2ブライン液を貯留するCO2液溜器と、該CO2液溜器に貯留されたCO2ブライン液を前記空気冷却器に送る液ポンプとを有し、
前記ブライン冷却器及び前記ブライン供給装置は、前記複数の冷却室毎に独立した配管系で構成されていることを特徴とする冷却設備。
A closed gas circulation refrigeration apparatus using air or nitrogen gas as a refrigerant, an NH3 refrigeration apparatus using NH3 as a refrigerant, a plurality of air coolers respectively disposed in a plurality of cooling chambers, and the plurality of air coolers. A plurality of brine supply devices for supplying CO2 brine,
The closed-type gas circulation refrigeration apparatus includes a compressor and an expander connected to a single output shaft of a drive motor, a magnetic bearing that rotatably supports the output shaft, and a refrigerant gas discharged from the compressor An intermediate cooler that cools the refrigerant, and a brine cooler that exchanges heat between the refrigerant gas discharged from the expander and the CO2 brine,
The NH3 refrigeration apparatus includes an NH3 circulation path, and a refrigeration cycle component device provided in the NH3 circulation path and including a CO2 liquefier,
The air cooler has a cooling pipe through which CO2 brine supplied from the brine supply device flows, and a blower that forms an air flow along the surface of the cooling pipe,
The brine supply device includes a CO2 brine liquid cooled by the brine cooler and a CO2 liquid reservoir for storing the CO2 brine liquid cooled by the CO2 liquefier, and a CO2 brine liquid stored in the CO2 liquid reservoir. A liquid pump for sending the air to the air cooler,
The brine cooler and the brine supply device are configured by independent piping systems for each of the plurality of cooling chambers.
前記ブライン冷却器は、前記膨張機から吐出された冷媒ガスの流路に対して直列に配置され、冷却温度が低い冷却室に対応したブライン冷却器ほど冷媒ガス流路の上流側部位に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の冷却設備。   The brine cooler is arranged in series with the flow path of the refrigerant gas discharged from the expander, and the brine cooler corresponding to the cooling chamber having a lower cooling temperature is arranged at the upstream side portion of the refrigerant gas flow path. The cooling equipment according to claim 1, wherein 前記複数の冷却室に室内温度を検出する温度センサーが夫々設けられ、
前記温度センサーの検出値が入力され、前記閉鎖型ガス循環式冷凍装置、前記NH3冷凍装置及び前記空気冷却器に設けられた送風機の駆動を制御すると共に、前記CO2液溜器から前記空気冷却器、前記ブライン冷却器及び前記CO2液化器に送るCO2ブラインの流量とを制御し、前記複数の冷却室の冷却温度を設定温度に制御する制御装置を備えていることを特徴とする請求項1に記載の冷却設備。
A temperature sensor for detecting a room temperature is provided in each of the plurality of cooling chambers,
The detection value of the temperature sensor is input to control the driving of the blower provided in the closed gas circulation refrigeration apparatus, the NH3 refrigeration apparatus and the air cooler, and from the CO2 liquid reservoir to the air cooler The control apparatus which controls the flow rate of the CO2 brine sent to the brine cooler and the CO2 liquefier, and controls the cooling temperature of the plurality of cooling chambers to a set temperature. The cooling equipment described.
前記NH3冷凍装置が、前記ブライン供給装置毎に独立して複数設けられていることを特徴とする請求項1に記載の冷却設備。   The cooling facility according to claim 1, wherein a plurality of the NH 3 refrigeration apparatuses are provided independently for each of the brine supply apparatuses. 前記NH3冷凍装置が、1系統のNH3循環路と、該NH3循環路に設けられた冷凍サイクル構成機器とを有し、前記CO2液化器が、前記ブライン供給装置毎に複数設けられ、複数のCO2液化器が前記NH3循環路に並列に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の冷却設備。   The NH3 refrigeration apparatus has a single NH3 circulation path and refrigeration cycle components provided in the NH3 circulation path, and a plurality of CO2 liquefiers are provided for each of the brine supply apparatuses. The liquefier is connected to the said NH3 circulation path in parallel, The cooling equipment of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
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