JP6982408B2 - 冷風発生装置及び冷風発生方法 - Google Patents

Description

本開示は、冷風発生装置及び冷風発生方法に関する。

最近、食品（包装された食品を含む。）などの被冷却物を冷却又は冷凍する場合、冷却時間の短縮と食品の品質保持等を目的として、−５０℃以下の超低温の冷気を用いて食品を急速に冷却し又は凍結する方法が採用されてきている。この超低温の冷気を実現するための冷凍装置として、例えば、空気を冷媒として用い、ブレイトンサイクルを形成する空気冷媒冷凍機が用いられる。

特許文献１には、上記空気冷媒冷凍装置の一例が開示されている。特許文献２には、被冷却物を冷却する冷却空間を有するフリーザと、上記空気冷媒冷凍機と、高温側でのＣＯＰ（成績係数）が比較的高い二段圧縮式冷凍機とを組み合わせた食品冷凍装置が開示されている。この食品冷凍装置は、空気冷媒冷凍機で生成した−６０℃の空気をフリーザの冷却空間に放出して食品の冷凍に供すると共に、二段圧縮式冷凍機の冷却器（蒸発器）をフリーザの冷却空間に設け、該冷却器で被冷却物の周囲に−４０℃の保温域を形成すると共に、冷却空間に設けられた送風機で冷気流を形成して冷却効果を高めるようにしている。

特開２００５−２６５３４９号公報 特開２０１１−４７５５３号公報

特許文献２に開示された食品冷凍装置は、被冷却物の冷凍に供された後の冷気を空気冷媒冷凍機に戻し、空気冷媒冷凍機で再冷却して食品の冷凍に循環使用している。
そのため、冷凍工程の前後で２種類以上の食品を冷凍する場合、空気冷媒に取り込まれた先の工程の食品の臭い、油分、塵等が後の工程の食品の品質、風味及び安全性に影響するおそれがある。従って、包装された食品だけにしか適用できない場合がある。

少なくとも一実施形態は、空気冷媒冷凍機の冷媒となる空気に取り込まれる被冷却物の臭い、夾雑物等によって他の被冷却物の品質及び安全性等を損なうことがない冷却手段又は冷凍手段を提案することを目的とする。

（１）少なくとも一実施形態に係る冷風発生装置は、
外気を空気冷媒として断熱圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された前記空気冷媒を冷却するための冷却部と、前記冷却部で冷却された前記空気冷媒を断熱膨張してさらに冷却する膨張機と、を備える空気冷媒冷凍機と、
被冷却物を冷却するための冷却空間を有するフリーザと、
前記膨張機で冷却された前記空気冷媒を前記冷却空間に供給するための供給路と、
前記フリーザ内の前記空気冷媒を外気に排出するための排出部と、
を備え、
前記フリーザは、前記供給路から受け取った前記空気冷媒をそのまま前記被冷却物の冷却に供するように構成される。
なお、ここで「冷却」とは０℃以上の温度で被冷却物を冷却する場合と、０℃以下の温度で被冷却物を冷凍する場合とを含むものとする。

上記（１）の構成では、上記フリーザの冷却空間で被冷却物の冷却に供した後の空気冷媒を上記排出部から外気に排出し、特許文献２のように空気冷媒を循環して使用しない。従って、空気冷媒が冷却に供した被冷却物の臭い、成分又は夾雑物等を取り込んだとしても、その臭い、成分又は夾雑物等が他の被冷却物に取り込まれるおそれはない。
また、フリーザで被冷却物の冷却効果を高めるためには、冷却空間で冷気流を形成することが有効である。上記（１）の構成によれば、上記供給路から受け取った空気冷媒をそのまま被冷却物の冷却に供することで、膨張機から吐出された空気冷媒がもつ運動エネルギによってフリーザの冷却空間に冷気流を形成できる。従って、特許文献２に記載された二段圧縮式冷凍機のように、フリーザ内に送風機及びその駆動部、架台等を設ける必要がない。従って、フリーザを小型化できると共に、ＣＩＰ洗浄などのメンテナンスが容易になると共に、フリーザ内の衛生状態を良好に保持できる。

（２）一実施形態では、前記（１）の構成において、
前記膨張機に入る前の前記空気冷媒を除湿するための除湿機を備える。
上記（１）の構成では、外気を空気冷媒として圧縮機に取り込むため、外気（特に湿度が高い夏季の外気）に含まれる水蒸気が膨張機吐出側などの低温領域で凝縮する問題がある。
これに対し、上記（２）の構成によれば、上記除湿機によって空気冷媒を除湿し、露点温度を低くすることで、この問題を解消できる。なお、吸着材を用いる除湿機では、０℃以下の環境下では吸着作用が低下するので、除湿機を空気冷媒の温度が低くない膨張機の上流側に設けることで、吸着機能の低下を抑制できる。

（３）一実施形態では、前記（１）又は（２）の構成において、
前記圧縮機から吐出される前記空気冷媒の圧力が大気圧（吸い込み圧力）以上乃至２００ｋＰａ以下となるように構成する。
上記（３）の構成によれば、圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力を上記範囲とすることで、圧縮機吐出側の空気冷媒流路を耐圧構造とする必要がなくなり、設備費を低コスト化できる。また、２００ｋＰａ以下の圧力は高圧ガス保安法の適用対象外となるため、メンテナンスに要する人的又は設備上の負担を軽減できる。

（４）一実施形態では、前記（３）の構成において、
前記膨張機に入る前記空気冷媒の温度を−４０℃以下とするように構成する。
膨張機入口側の空気冷媒の温度を−４０℃以下とすることで、膨張機吐出側の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温にすることができる。
圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力が２００ｋＰａ以下であるとき、膨張機において、圧縮機吐出圧力との圧力差を利用した温度降下があまり期待できない。そこで、上記冷却部（例えば、冷凍機など）で、膨張機入口の空気冷媒の温度を−４０℃以下にする。これによって、膨張機出口の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温にすることができる。

（５）一実施形態では、前記（１）〜（４）の何れかの構成において、
前記膨張機から吐出された前記空気冷媒の温度が−６０℃以下になるように構成する。
上記（５）の構成によれば、膨張機出口の空気冷媒の温度を−６０℃以下とすることで、被冷却物を大温度差で冷却でき、熱交換効率を向上できる。これによって、フリーザに供給する空気冷媒の流量を低減できるため、被冷却物の冷却に供した後の空気冷媒を外気に排出しても熱効率の低下を抑制できる。
また、大温度差冷却を可能にすることで、被冷却物の冷却効果を高めることができる。さらに、大温度差冷却によって被冷却物の急速冷却が可能になるため、冷却時間を短縮できると共に、被冷却物が食品であるとき、食品の品質及び風味等を保持できる。

（６）一実施形態では、前記（１）〜（５）の何れかの構成において、
前記冷却部は、ＣＯ_２で前記空気冷媒を冷却するＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機を含む。
上記（６）の構成によれば、上記冷却部として、上記ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機を含むことで、圧縮機吐出側の空気冷媒の温度を高効率で低減できる。これによって、圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力を高くしなくても、膨張機に入る空気冷媒の温度を−４０℃以下にでき、そのため、膨張機吐出側の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温に冷却できる。

（７）一実施形態では、前記（６）の構成において、
前記ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機は、ＮＨ_３を冷却するための開放式冷却塔を含む。
上記（７）の構成によれば、ＮＨ_３を冷却するために開放式冷却塔を用いることで、ＮＨ_３の冷却効果を増すことができ、かつ低コスト化できる。

（８）一実施形態では、前記（６）又は（７）の構成において、
前記冷却部は、
前記ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機の上流側で前記空気冷媒を冷却するように配置され、冷却水と前記空気冷媒とを熱交換させる熱交換器、及び前記冷却水を冷却する冷却塔を有する予冷部と、
前記予冷部と前記ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機との間で前記空気冷媒を冷却するように配置され、ブラインによって前記空気冷媒を冷却するＮＨ_３／ブライン冷凍機と、
をさらに含む。

上記（８）の構成によれば、ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機以外に、上記予冷部及び上記ＮＨ_３／ブライン冷凍機を設けることで、圧縮機吐出側の空気冷媒を大温度差をもって冷却できる。これによって、圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力を高くしなくても、膨張機に入る空気冷媒の温度を−４０℃以下に冷却でき、かつ膨張機吐出側の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温に冷却できる。
また、空気冷媒の流路に対し、冷却能力に応じて上流側から順に予冷部、ＮＨ_３／ブライン冷凍機及びＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機で空気冷媒を冷却するように配置したので、空気冷媒を効率良く冷却できる。

（９）一実施形態では、前記（８）の構成において、
前記予冷部の前記冷却塔は密閉式冷却塔であり、
前記ＮＨ_３／ブライン冷凍機において、ＮＨ_３冷媒を冷却するための開放式冷却塔を有する。
上記（９）の構成によれば、予冷部では密閉式冷却塔を有するため、冷却水の汚れを抑制でき、メンテナンスの頻度を低減できる。また、ＮＨ_３／ブライン冷凍機では開放式冷却塔を有するため、密閉式冷却塔と比べて低コスト化できる。

（１０）幾つかの実施形態に係る冷風発生方法は、
外気を取り入れ空気冷媒として圧縮機で圧縮する圧縮工程と、
前記圧縮工程で圧縮された前記空気冷媒を冷却する前段冷媒冷却工程と、
前記前段冷却工程で冷却された前記空気冷媒を膨張機で断熱膨張させて冷却する後段冷媒冷却工程と、
前記膨張機から吐出された前記空気冷媒をフリーザの冷却空間に供給し、前記空気冷媒をそのまま被冷却物の冷却に供する被冷却物冷却工程と、
前記冷却空間で被冷却物の冷却に供された後の前記空気冷媒を外気に排出する排出工程と、
を含む。

上記（１０）の方法によれば、上記フリーザの冷却空間で被冷却物の冷却に供した後の空気冷媒を外気に排出し、特許文献２のように空気冷媒を循環して使用しない。従って、他の被冷却物の臭い、成分又は夾雑物等が空気冷媒を介して別な被冷却物に取り込まれるおそれはない。
また、膨張機から吐出された空気冷媒をそのまま被冷却物の冷却に供することで、空気冷媒がもつ運動エネルギによってフリーザの冷却空間に冷気流を形成できる。従って、特許文献２に記載された二段圧縮式冷凍機のように、フリーザ内に送風機及びその駆動部、架台等を設ける必要がない。従って、フリーザを小型化できると共に、ＣＩＰ洗浄などのメンテナンスが容易になると共に、フリーザ内の衛生状態を良好に保持できる。

（１１）一実施形態では、前記（１０）の方法において、
前記後段冷媒冷却工程の前で、前記空気冷媒を除湿する除湿工程を含む。
上記（１１）の方法によれば、上記除湿工程を含むことで、外気に含まれる水蒸気が膨張機吐出側などの低温領域で凝縮する問題を解消できる。なお、吸着材を用いる除湿機では、吸着材の吸着作用が０℃以下の環境で低下するので、空気冷媒の温度が低下する後段冷媒冷却工程の前で除湿工程を行うことで、吸着機能の低下を抑制できる。

（１２）一実施形態では、前記（１０）又は（１１）の方法において、
前記圧縮工程において、
前記圧縮機から吐出される前記空気冷媒の圧力が、大気圧（吸い込み圧力）以上乃至２００ｋＰａ以下である。
上記（１２）の方法によれば、圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力を上記範囲とすることで、圧縮機吐出側の空気冷媒流路を耐圧構造とする必要がなくなり、設備費を低コスト化できる。また、２００ｋＰａ以下の圧力は高圧ガス保安法の適用対象外となるため、メンテナンスに要する人的又は設備上の負担を軽減できる。

（１３）一実施形態では、前記（１０）〜（１２）の何れかの方法において、
前記前段冷媒冷却工程において、
前記膨張機に入る前記空気冷媒の温度が−４０℃以下である。
圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力が２００ｋＰａ以下であるとき、膨張機において、圧縮機吐出圧力との圧力差を利用した温度降下があまり期待できない。そこで、上記冷却部（例えば、冷凍機など）で、膨張機入口の空気冷媒の温度を−４０℃以下にする必要がある。こうすることで、膨張機出口の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温にできる。

（１４）一実施形態では、前記（１０）〜（１４）の何れかの方法において、
前記後段冷媒冷却工程において、
前記膨張機から吐出される前記空気冷媒の温度が−６０℃以下である。
上記（１４）の方法によれば、膨張機出口の空気冷媒の温度を−６０℃以下とすることで、被冷却物を大温度差で冷却でき、熱交換効率を向上できるので、被冷却物の冷却効果を高めることができる。従って、フリーザに供給する空気冷媒の流量を低減できるため、被冷却物の冷却に供した後の空気冷媒を外気に排出しても熱効率の低下を抑制できる。
また、大温度差冷却を可能にすることで、被冷却物の冷却効果を高めることができる。さらに、大温度差冷却によって被冷却物の急速冷却が可能になるため、冷却時間を短縮できると共に、被冷却物が食品であるとき、食品の品質及び風味等を保持できる。

幾つかの実施形態によれば、フリーザにより被冷却物を冷却又は冷凍する際に、冷媒となる空気に取り込まれる食品などの被冷却物の臭い、成分、夾雑物等が空気冷媒を介して他の被冷却物に取り込まれることがなくなり、従って、他の食品などの被冷却物の品質及び安全性等を損なうおそれがなくなる。

一実施形態に係る冷風発生装置の系統図である。 一実施形態に係る冷風発生装置の系統図である。 一実施形態に係るフリーザの断面図である。 一実施形態に係る冷風発生方法の工程図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載され又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

幾つかの実施形態に係る冷風発生装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、図１及び図２に示すように、空気冷媒冷凍機１２（１２Ａ、１２Ｂ）とフリーザ１４（１４Ａ、１４Ｂ）とを備え、空気冷媒冷凍機１２によって生成された低温の空気冷媒がフリーザの冷却空間に供給される。
空気冷媒冷凍機１２は、圧縮機１５と、冷却部１６（１６ａ、１６ｂ）と、膨張機１８とを備える。外気ａは圧縮機１５に吸入され断熱圧縮される。圧縮機１５から吐出し昇温した外気ａは冷却部１６で冷却された後、さらに膨張機１８で断熱膨張され冷却される。
膨張機１８から吐出され冷却された空気冷媒は、供給路２０を通ってフリーザ１４に形成された冷却空間Ｓｃに供給される。冷却空間Ｓｃに供給された空気冷媒は冷却空間Ｓｃに放出され、冷却空間Ｓｃに存在する被冷却物Ｍｃを冷却する。
被冷却物Ｍｃの冷却に供された後の空気冷媒は排出部２２から外気に排出される。

上記構成によれば、冷却空間Ｓｃで被冷却物Ｍｃの冷却に供した後の空気冷媒を排出部２２から外気に排出し、フリーザ１４で被冷却物Ｍｃの冷却に供された空気冷媒を循環使用しない。従って、他の被冷却物の臭い、成分又は夾雑物等が空気冷媒を介して別な被冷却物に取り込まれるおそれはない。
また、供給路２０から受け取った空気冷媒をそのまま被冷却物Ｍｃの冷却に供することで、膨張機１８から吐出された空気冷媒がもつ運動エネルギによって冷却空間Ｓｃに冷気流ｆａを形成でき、この冷気流ｆａによって被冷却物Ｍｃの冷却効果を高めることができる。従って、フリーザ内の冷却空間Ｓｃに冷気流ｆａを形成するための送風機及びその駆動部、架台等を設ける必要がないため、フリーザ１４を小型化できると共に、ＣＩＰ洗浄などのメンテナンスが容易になると共に、冷却空間Ｓｃの衛生状態を良好に保持できる。

一実施形態では、図１に示す冷風発生装置１０（１０Ａ）において、圧縮機１５の前段に前段圧縮機２４及び２６が設けられ、これら圧縮機と圧縮機１５とを合わせて３段圧縮となり、空気冷媒を高圧（例えば、７００〜８００ｋＰａ）にできる。そのため、膨張機１８ではこの大きな圧力差を利用した断熱膨張を行うことで、膨張機１８の吐出側で空気冷媒を−６０℃以下の低温に冷却できる。
一実施形態では、図１に示すように、前段圧縮機２４から吐出された空気冷媒を冷却するインタークーラ２８、及び前段圧縮機２６から吐出された空気冷媒を冷却するアフタークーラ３０が設けられ、圧縮機吐出側の空気冷媒の過度の昇温を抑制している。インタークーラ２８及びアフタークーラ３０には、冷却媒体として冷却水などが供給される。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、空気冷媒路１３に対して複数の圧縮機１５及び膨張機１８が並列に設けられる。但し、別な実施形態では、圧縮機１５及び膨張機１８は１個ずつでもよい。
一実施形態では、圧縮機１５及び膨張機１８は単一の軸３１に接続される。これによって、膨張機１８が空気冷媒を膨張させるときに得られる回転力を圧縮機１５に付加することで、圧縮機１５の動力を低減できる。
一実施形態では、図２に示すように、さらに軸３１にモータ３１ａが設けられ、軸３１がモータ３１ａの出力軸となって圧縮機１５に回転力を付与するようにする。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、空気冷媒路１３の入口に外気ａに含まれる夾雑物を除去するためのフィルタ３２が設けられている。

一実施形態では、図１及び図２に示すように、膨張機１８の上流側の空気冷媒路１３に除湿機３４が設けられる。
外気ａを空気冷媒として圧縮機１５に取り込むため、外気（特に湿度が高い夏季の外気）に含まれる水蒸気が膨張機１８の吐出側などの低温領域で凝縮する問題がある。
そこで、除湿機３４で空気冷媒を除湿し、空気冷媒の露点を下げることで、この問題を解消できる。なお、吸着材を用いる除湿機３４は０℃以下の環境では、吸着材の吸着作用が低下するので、膨張機１８の上記側の０℃以上の環境に設けることで、吸着機能の低下を抑制できる。

一実施形態では、図１に示すように、除湿機３４は温度スィング式吸着器を含む。温度スィング式吸着器は、例えば、活性アルミ、ゼオライト、活性炭等の吸着材が充填された２個の吸着筒３４ａ及び３４ｂが空気冷媒路１３に並列に設けられ、常温常圧下で空気冷媒に含まれる水蒸気を吸着する。一方の吸着筒が吸着運転中に他方の吸着筒は加熱及び冷却されて再生されることで、連続運転が可能である。
一実施形態では、除湿機３４は表面に吸着材がコーティングされた除湿ロータを含む。除湿ロータは、空気冷媒に面し空気冷媒中の水蒸気を吸着がする工程が行われる吸着室と、加熱空気によって除湿ロータに吸着された水蒸気を放出させる再生域とに跨って設けられ、除湿ロータを回転させることで吸着及び再生を連続的に行うことができる。

一実施形態では、図２に示す冷風発生装置１０（１０Ｂ）において、圧縮機１５から吐出される空気冷媒の圧力が大気圧（吸い込み圧力）〜２００ｋＰａとなるように構成される。
圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力を上記範囲とすることで、空気冷媒路１３の圧縮機吐出側部位を耐圧構造とする必要がなくなり、設備費を低コスト化できる。また、２００ｋＰａ以下の圧力は高圧ガス保安法の適用対象外となるため、メンテナンスに要する人的又は設備上の負担を軽減できる。

一実施形態では、図２に示す冷風発生装置１０（１０Ｂ）において、膨張機１８に入る空気冷媒の温度が−４０℃以下となるように構成する。冷却部１６（１６ｂ）によって膨張機入口側の空気冷媒の温度を−４０℃以下とすることで、膨張機吐出側の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温にすることができる。

一実施形態では、図１に示すように、冷却部１６（１６ａ）は、代替フロンを冷媒とする蒸気圧縮式冷凍機３６を含む。空気冷媒は蒸気圧縮式冷凍機３６によって０℃以上の温度域まで冷却されて除湿機３４に導入される。一実施形態では、蒸気圧縮式冷凍機３６の入口側に、さらに冷風などを冷却媒体として空気冷媒を冷却するブロアクーラ３８が設けられる。

一実施形態では、図２に示す冷風発生装置１０（１０Ｂ）において、圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力が２００ｋＰａ以下であるとき、膨張機１８において、圧縮機吐出力との圧力差を利用した温度降下があまり期待できない。そのため、冷却部１６によって膨張機入口の空気冷媒の温度を−４０℃以下にする。膨張機入口の空気冷媒の温度を−４０℃以下にすることで、膨張機出口の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温にすることができる。

一実施形態では、図１及び図２に示す冷風発生装置１０（１０Ａ、１０Ｂ）において、膨張機１８から吐出された空気冷媒の温度が−６０℃以下となるように構成される。膨張機出口の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温とすることで、被冷却物Ｍｃを大温度差で冷却でき、熱交換効率を向上できる。従って、フリーザに供給する空気冷媒の流量を低減できるため、被冷却物Ｍｃの冷却に供した後の空気冷媒を外気に排出しても熱効率の低下を抑制できる。
また、大温度差冷却を行うことで、被冷却物Ｍｃの冷却効果を高めることができる。
さらに、大温度差冷却によって被冷却物Ｍｃの急速冷却が可能になるため、冷却時間を短縮できると共に、被冷却物Ｍｃが食品であるとき、食品の品質及び風味等を保持することができる。

一実施形態では、図２に示す冷風発生装置１０（１０Ｂ）において、冷却部１６（１６ｂ）は、ＣＯ_２冷媒で空気冷媒を冷却するＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機４０を含む。冷却部１６（１６ｂ）として、ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機４０を含むことで、圧縮機吐出側の空気冷媒の温度を高効率で低減できる。これによって、圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力を高くしなくても、膨張機１８に入る空気冷媒の温度を−４０℃以下にでき、かつ膨張機吐出側の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温にできる。

一実施形態では、ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機４０は、圧縮機４２及び圧縮機４２を駆動するモータ４２ａを備え、圧縮機４２でＮＨ_３を圧縮し、凝縮器４６で冷却塔４８から送られる冷却水でＮＨ_３を凝縮する。凝縮器４６で凝縮したＮＨ_３液は膨張弁（不図示）で減圧され、ＣＯ_２液化器４４でＣＯ_２と熱交換してＣＯ_２を液化する。ＮＨ_３自体は蒸発して圧縮機４２に戻る。ＣＯ_２液化器４４で液化したＣＯ_２液は重力で高圧液溜器４５に流入し、その後、空気冷媒路１３に設けられた熱交換器５０に送られ、空気冷媒を潜熱熱交換により冷却する。このＣＯ_２液は蒸発して高圧液溜器４５に戻り、さらにＣＯ_２液化器４４に戻る。

高圧液溜器４５内のＣＯ_２液は低圧液溜器４９に送られ、低圧液溜器４９から膨張弁４３を介して熱交換器５２に送られる。熱交換器５２でＣＯ_２液は空気冷媒を潜熱熱交換により冷却し、ＣＯ_２液自体は気化して低圧液溜器４９に戻る。低圧液溜器４９に戻ったＣＯ_２ガスは、モータ４７ａで駆動される圧縮機４７によって吸い込まれ、圧縮されたＣＯ_２ガスは高圧液溜器４５を経てＣＯ_２液化器４４に送られ、ＣＯ_２液化器４４でＮＨ_３と熱交換して液化する。

なお、ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機４０は自然冷媒を使用しているが、代替フロン（例えば、Ｒ４０４Ａ、Ｒ２３等）を使用した冷凍機を用いてもよい。
また、凝縮器４６でＮＨ_３を凝縮するために、冷却塔４８の代わりに、井水、工業用水等を用いてもよい。

一実施形態では、図２に示すように、冷却塔４８は、凝縮器４６でＮＨ_３を冷却する冷却水を冷却するための開放式冷却塔である。冷却塔４８を開放式冷却塔とすることで、ＮＨ_３の冷却効果を増すことができ、かつ密閉式冷却塔と比べて低コスト化できる。

一実施形態では、図２に示す冷風発生装置１０（１０Ｂ）において、冷却部１６（１６ｂ）は、ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機４０に対して空気冷媒路１３の上流側で空気冷媒を冷却するように予冷部５４が設けられる。また、予冷部５４とＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機４０との間で空気冷媒を冷却するようにＮＨ_３／ブライン冷凍機６０が設けられる。
予冷部５４は、冷却水と空気冷媒とを熱交換させる熱交換器５６と、熱交換器５６に送られる冷却水を冷却する冷却塔５８と、を備える。

上記構成によれば、ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機４０以外に、予冷部５４及びＮＨ_３／ブライン冷凍機６０を設けることで、圧縮機吐出側の空気冷媒を大きな温度差をもって冷却できる。これによって、圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力を高くしなくても、膨張機１８に入る空気冷媒の温度を−４０℃以下にでき、かつ膨張機吐出側の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温に冷却できる。
また、空気冷媒路１３に対し、冷却能力に応じて上流側から順に予冷部５４、ＮＨ_３／ブライン冷凍機６０及びＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機４０の順で空気冷媒を冷却するように配置したので、空気冷媒を効率良く冷却できる。

一実施形態では、図２に示すように、ＮＨ_３／ブライン冷凍機６０は、圧縮機６２及び圧縮機６２を駆動するモータ６２ａを備え、ブライン（例えば、エチレングリコール水溶液）を蒸発器６４で冷却する。ＮＨ_３は凝縮器６６で冷却水によって冷却され、ＮＨ_３の熱を吸収した冷却水は冷却塔６８に循環し、冷却塔６８で冷却される。
ＮＨ_３／ブライン冷凍機６０で冷却されたブラインは、空気冷媒路１３において熱交換器５０と熱交換器５６との間に設けられた熱交換器７０に送られ、空気冷媒を冷却する。ブラインの一部は除湿機３４に送られ、除湿機３４を冷却する。

一実施形態では、予冷部５４の冷却塔５８は密閉式冷却塔であり、ＮＨ_３／ブライン冷凍機６０の冷却塔６８は開放式冷却塔である。
予冷部５４では密閉式冷却塔を有するため冷却水の汚れを抑制でき、メンテナンス頻度を低減できる。ＮＨ_３／ブライン冷凍機６０では開放式冷却塔を有するため、熱交換効率を向上できると共に、密閉式冷却塔と比べて低コスト化できる。

図２に示すように、冷却部１６（１６ｂ）で冷却された空気冷媒は膨張機１８に送られる。
一実施形態では、図１及び図２に示すように、膨張機１８の入口側にフィルタ７４が設けられ、空気冷媒に含まれる夾雑物が除去される。

一実施形態では、図１に示すように、フリーザ１４（１４Ａ）は、ハウジング８０の内部に複数の棚段８２が上下方向に設けられ、棚段８２上に載置された被冷却物Ｍｃを下方から吹き上げる空気冷媒によって冷却するため、冷却効果を向上できる。例えば、暖められたチャーハンのような食品でも大温度差冷却が可能になる。フリーザ１４（１４Ａ）は、特に、バラ物の被冷却物Ｍｃに対しバラ物を空気冷媒で吹き上げるようにするため、バラ物の冷却効果を向上できる。空気冷媒で吹き上げられたバラ物はコンベア８４によって次工程に搬送される。

一実施形態では、図２に示すように、フリーザ１４（１４Ｂ）は、被冷却物Ｍｃを搬送するためのコンベア７６を有する。被冷却物Ｍｃはコンベア７６に搬送された状態で連続的に冷却される。また、空気冷媒の導入部７８とコンベア７６との間に多数のノズル８６が設けられる。ノズル８６はロート状の断面積を有し、空気冷媒はノズル８６を通ることで加速されかつ整流される。この加速され整流された空気冷媒が被冷却物Ｍｃに吹き付けられることで、被冷却物Ｍｃの表面に密着した空気流を形成でき、冷却効果を増すことができる（このノズルを有するフリーザの詳細については、例えば、特許第４７０２８９５号公報を参照）。

図１及び図２において、各部位に記された温度値は、理解のために、一実施形態の各部位における空気冷媒温度の一例を示す。詳しくは、夏季において３５℃の外気を取り込んだ場合の例を示す。

一実施形態では、図３にバッチ式のフリーザ１４（１４Ｃ）を示す。フリーザ１４（１４Ｃ）は、ハウジング８０は内部に冷却空間Ｓｃを形成し、冷却空間Ｓｃでは上下方向に複数の棚段８２を有し、棚段８２には多数の空隙が形成されている。
棚段８２に被冷却物Ｍｃが載置され、ハウジング８０の上部に設けられた導入部７８から冷却空間Ｓｃに空気冷媒が導入され、導入された空気冷媒は冷気流ｆａを形成して棚段８２を上方から下方へ通過し、棚段８２に載置された被冷却物Ｍｃを冷却する。
上記構成のフリーザ１４（１４Ｃ）は、被冷却物Ｍｃに対し冷却効果を向上でき、少ない流量の空気冷媒で大温度差冷却が可能になる。従って、加熱された食品に対しても大温度差冷却が可能になり、特に、バラ物の食品に対して冷却効果を向上できる。

幾つかの実施形態に係る冷風発生方法は、図４に示すように、まず、空気冷媒冷凍機１２の空気冷媒路１３に圧縮機１５で空気冷媒として外気ａを吸引し圧縮する（圧縮工程Ｓ１０）。圧縮機１５で圧縮された外気ａは昇温するので、冷却部１６で冷却する（前段冷媒冷却工程Ｓ１２）。
次に、冷却ブライン６で冷却された空気冷媒を、必要に応じて除湿機３４によって除湿する（除湿工程Ｓ１４）。
例えば、夏季の外気を取り込む場合、夏季の外気は高湿度であるため、除湿工程Ｓ１４を必要とする場合があるが、冬季の外気ａは低湿度であるため、除湿工程Ｓ１４を必要としない場合がある。この場合、例えば、除湿機３４の作動を停止させる。

次に、前段冷媒冷却工程Ｓ１２で冷却された空気冷媒を膨張機１８で断熱膨張させてさらに冷却する（後段冷媒冷却工程Ｓ１６）。
後段冷媒冷却工程Ｓ１６で冷却され膨張機１８から吐出された空気冷媒をフリーザ１４の冷却空間Ｓｃに供給し、空気冷媒をそのまま被冷却物Ｍｃの冷却に供する（被冷却物冷却工程Ｓ１８）。
その後、被冷却物Ｍｃの冷却に供された後の空気冷媒を外気に排出する（排出工程Ｓ２０）。

上記方法によれば、フリーザ１４の冷却空間Ｓｃで被冷却物Ｍｃの冷却に供した後の空気冷媒を外気に排出し、空気冷媒冷凍機１２に循環させないので、別な被冷却物の臭い、成分又は夾雑物等が被冷却物に混入するおそれはない。
また、膨張機１８から吐出された空気冷媒をそのまま被冷却物Ｍｃの冷却に供することで、空気冷媒がもつ運動エネルギによってフリーザ１４の冷却空間Ｓｃに冷気流ｆａを形成できる。これによって、被冷却物Ｍｃの冷却効果を高めることができる。
従って、フリーザ内に送風機及びその駆動部、架台等を設ける必要がないため、フリーザ１４を小型化できると共に、ＣＩＰ洗浄などのメンテナンスが容易になると共に、冷却空間Ｓｃの衛生状態を良好に保持できる。

また、必要に応じて、除湿工程Ｓ１４を行うことで、夏季の外気ａのように、外気ａが高湿度である場合に、外気ａに含まれる水蒸気が膨張機１８などの低温部位で凝縮する問題を解消できる。なお、除湿機３４に用いられる吸着材は０℃以下の環境では吸着作用が低下するので、空気冷媒の温度が低下する後段冷媒冷却工程Ｓ１６の前で除湿工程Ｓ１８を行うことで、吸着機能の低下を抑制できる。

一実施形態では、図２に示す冷風発生装置１０（１０Ｂ）のように、圧縮工程Ｓ１０において、圧縮機１５から吐出される空気冷媒の圧力を大気圧（吸い込み圧力）〜２００ｋＰａとする。
圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力を上記範囲とすることで、圧縮機吐出側の空気冷媒路１３を耐圧構造とする必要がなくなり、設備費を低コスト化できる。また、高圧ガス保安法の適用対象外となるため、メンテナンスに要する人的及び設備上の負担を軽減できる。

一実施形態では、前段冷媒冷却工程Ｓ１２において、膨張機１８に入る空気冷媒の温度が−４０℃以下となるようにする。
圧縮機吐出側の空気冷媒の圧力が２００ｋＰａ以下であるとき、膨張機１８において、圧縮機吐出圧力との圧力差を利用した温度降下があまり期待できない。そこで、冷却部１６で、膨張機入口の空気冷媒の温度を−４０℃以下にする必要がある。こうすることで、膨張機出口の空気冷媒の温度を−６０℃以下の低温に冷却できる。

一実施形態では、後段冷媒冷却工程Ｓ１６において、膨張機１８から吐出される空気冷媒の温度を−６０℃以下にする。
膨張機出口の空気冷媒の温度を−６０℃以下にすることで、被冷却物Ｍｃを大温度差で冷却でき、熱交換効率を向上できる。従って、フリーザ１４に供給する空気冷媒の流量を低減できるため、被冷却物Ｍｃの冷却に供した後の空気冷媒を外気に排出しても熱効率の低下を抑制できる。
また、大温度差冷却を行うことで、被冷却物Ｍｃの冷却効果を高めることができる。
さらに、大温度差冷却によって被冷却物Ｍｃの急速冷却が可能になり、これによって、冷却時間を短縮できると共に、被冷却物Ｍｃが食品である場合、食品の品質及び風味等を保持できる。

幾つかの実施形態によれば、冷媒となる空気に取り込まれる被冷却物の臭い、夾雑物等が空気冷媒を介して他の被冷却物に取り込まれることを抑制し、これによって、他の被冷却物の品質及び安全性等を損なうことを抑制できる。

１０（１０Ａ、１０Ｂ） 冷風発生装置
１２（１２Ａ、１２Ｂ） 空気冷媒冷凍機
１３ 空気冷媒路
１４（１４Ａ、１４Ｂ） フリーザ
１５、４２、４７、６２ 圧縮機
３１ａ、４２ａ、４７ａ、６２ａ モータ
１６（１６ａ、１６ｂ） 冷却部
１８ 膨張機
２０ 供給路
２２ 排出部
２４、２６ 前段圧縮機
２８ インタークーラ
３０ アフタークーラ
３１ 軸
３２、７４ フィルタ
３４ 除湿機
３４ａ、３４ｂ 吸着筒
３６ 蒸気圧縮式冷凍機
３８ ブロアクーラ
４０ ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機
４３ 膨張弁
４４ ＣＯ_２液化器
４５ 高圧液溜器
４６、６６ 凝縮器
４９ 低圧液溜器
５０、５２、５６、７０ 熱交換器
５４ 予冷部
４８、５８、６８ 冷却塔
６０ ＮＨ_３／ブライン冷凍機
６４ 蒸発器
７６、８４ コンベア
７８ 導入部
８０ ハウジング
８２ 棚段
８６ ノズル
Ｍｃ 被冷却物
Ｓｃ 冷却空間
ａ 外気
ｆａ 冷気流

Claims (16)

1. 外気を空気冷媒として断熱圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された前記空気冷媒を冷却するための冷却部と、前記冷却部で冷却された前記空気冷媒を断熱膨張してさらに冷却する膨張機と、を備える空気冷媒冷凍機と、
   被冷却物を冷却するための冷却空間を有するフリーザと、
   前記膨張機で冷却された前記空気冷媒を前記冷却空間に供給するための供給路と、
   前記フリーザ内の前記空気冷媒を外気に排出するための排出部と、
   を備え、
   前記フリーザは、
   ハウジングと、
   前記ハウジングの内部に設けられ、前記被冷却物を載置するための棚段と、
   を含み、
   前記フリーザは、前記供給路を介して前記膨張機から受け取った前記空気冷媒を前記ハウジングの下部に導入し、前記ハウジング内に形成される前記空気冷媒の上昇流によって前記被冷却物を吹き上げることで、前記供給路を介して前記膨張機から受け取った前記空気冷媒をそのまま前記被冷却物の冷却に供するように構成されたことを特徴とする冷風発生装置。
2. 前記膨張機に入る前の前記空気冷媒を除湿するための除湿機を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷風発生装置。
3. 外気を空気冷媒として断熱圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された前記空気冷媒を冷却するための冷却部と、前記冷却部で冷却された前記空気冷媒を断熱膨張してさらに冷却する膨張機と、を備える空気冷媒冷凍機と、
   被冷却物を冷却するための冷却空間を有するフリーザと、
   前記膨張機で冷却された前記空気冷媒を前記冷却空間に供給するための供給路と、
   前記フリーザ内の前記空気冷媒を外気に排出するための排出部と、
   を備え、
   前記フリーザは、
   前記被冷却物を搬送するためのコンベアと、
   前記コンベア上の前記被冷却物に対して前記空気冷媒を吹き付けるように構成されたノズルと、
   を含み、
   前記フリーザは、前記供給路を介して前記膨張機から受け取った前記空気冷媒を各々の前記ノズルに導き、前記ノズルから前記空気冷媒を前記被冷却物に吹き付けることで、前記供給路を介して前記膨張機から受け取った前記空気冷媒をそのまま前記被冷却物の冷却に供するように構成されたことを特徴とする冷風発生装置。
4. 前記圧縮機から吐出される前記空気冷媒の圧力が大気圧以上乃至２００ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項３に記載の冷風発生装置。
5. 前記膨張機に入る前記空気冷媒の温度が−４０℃以下であることを特徴とする請求項４に記載の冷風発生装置。
6. 前記膨張機から吐出された前記空気冷媒の温度が−６０℃以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の冷風発生装置。
7. 前記冷却部は、ＣＯ_２で前記空気冷媒を冷却するＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機を含むことを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項に記載の冷風発生装置。
8. 前記ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機は、ＮＨ_３を冷却するための開放式冷却塔を含むことを特徴とする請求項７に記載の冷風発生装置。
9. 前記冷却部は、
   前記ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機の上流側で前記空気冷媒を冷却するように配置され、冷却水と前記空気冷媒とを熱交換させる熱交換器、及び前記冷却水を冷却する冷却塔を有する予冷部と、
   前記予冷部と前記ＮＨ_３／ＣＯ_２二元冷凍機との間で前記空気冷媒を冷却するように配置され、ブラインによって前記空気冷媒を冷却するＮＨ_３／ブライン冷凍機と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の冷風発生装置。
10. 前記予冷部の前記冷却塔は密閉式冷却塔であり、
    前記ＮＨ_３／ブライン冷凍機において、前記ブラインを冷却するための開放式冷却塔を有することを特徴とする請求項９に記載の冷風発生装置。
11. 外気を取り入れ空気冷媒として圧縮機で圧縮する圧縮工程と、
    前記圧縮工程で圧縮された前記空気冷媒を冷却する前段冷媒冷却工程と、
    前記前段冷媒冷却工程で冷却された前記空気冷媒を膨張機で断熱膨張させて冷却する後段冷媒冷却工程と、
    前記膨張機から吐出された前記空気冷媒をフリーザの冷却空間に供給し、前記空気冷媒をそのまま被冷却物の冷却に供する被冷却物冷却工程と、
    前記冷却空間で被冷却物の冷却に供された後の前記空気冷媒を外気に排出する排出工程と、
    を含み、
    前記被冷却物冷却工程では、
    前記膨張機からの前記空気冷媒を前記フリーザのハウジングの下部に導入し、前記ハウジング内に形成される前記空気冷媒の上昇流によって、前記ハウジング内に設けられた棚段の上に載置された前記被冷却物を吹き上げる
    ことを特徴とする冷風発生方法。
12. 前記後段冷媒冷却工程の前で、前記空気冷媒を除湿する除湿工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の冷風発生方法。
13. 外気を取り入れ空気冷媒として圧縮機で圧縮する圧縮工程と、
    前記圧縮工程で圧縮された前記空気冷媒を冷却する前段冷媒冷却工程と、
    前記前段冷媒冷却工程で冷却された前記空気冷媒を膨張機で断熱膨張させて冷却する後段冷媒冷却工程と、
    前記膨張機から吐出された前記空気冷媒をフリーザの冷却空間に供給し、前記空気冷媒をそのまま被冷却物の冷却に供する被冷却物冷却工程と、
    前記冷却空間で被冷却物の冷却に供された後の前記空気冷媒を外気に排出する排出工程と、
    を含み、
    前記フリーザは、
    前記被冷却物を搬送するためのコンベアと、
    前記コンベア上の前記被冷却物に対して前記空気冷媒を吹き付けるように構成されたノズルと、
    を含み、
    前記被冷却物冷却工程では、前記膨張機からの前記空気冷媒を各々の前記ノズルに導き、前記ノズルから前記空気冷媒を前記被冷却物に吹き付ける
    ことを特徴とする冷風発生方法。
14. 前記圧縮工程において、
    前記圧縮機から吐出される前記空気冷媒の圧力が大気圧以上乃至２００ｋＰａ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の冷風発生方法。
15. 前記前段冷媒冷却工程において、
    前記膨張機に入る前記空気冷媒の温度が−４０℃以下であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の冷風発生方法。
16. 前記後段冷媒冷却工程において、
    前記膨張機から吐出される前記空気冷媒の温度が−６０℃以下であることを特徴とする請求項１１乃至１５の何れか１項に記載の冷風発生方法。

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