(57)【要約】【課題】  冷凍効率が優れ、しかも、高い冷凍能率を得ることができる空気サイクルを用いた冷凍装置を提供する。【解決手段】  冷凍装置１を、前記冷凍室３から排出される水分を除湿する吸着器２ａと、この吸着器２ａから除湿空気供給ライン２ｂを介して供給される除湿空気を圧縮する圧縮機２ｃと、この圧縮機２ｃから圧縮空気吐出ライン２ｄを介して吐出される圧縮空気の熱を回収する廃熱回収用熱交換器２ｅと、この廃熱回収用熱交換器２ｅから熱回収後空気供給ライン２ｆを介して供給される熱回収後空気を断熱膨張させる膨張タービン２ｇと、この膨張タービン２ｇから排出される断熱膨張後の冷凍用空気を前記冷凍室３に供給する冷凍用空気供給ライン２ｈとから構成する。【選択図】        図１
2006090599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍室内で被冷却物を冷却する冷凍装置であって、前記冷凍室から排出される空気中の水分を除湿する除湿手段と、この除湿手段から除湿空気供給ラインを介して供給される除湿空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から圧縮空気吐出ラインを介して吐出される圧縮空気の熱を回収する廃熱回収用熱交換器と、この廃熱回収用熱交換器から熱回収後空気供給ラインを介して供給される熱回収後空気を断熱膨張させる膨張機と、この膨張機から排出される断熱膨張後の冷凍用空気を前記冷凍室に供給する冷凍用空気供給ラインとを備えてなることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記廃熱回収用熱交換器で前記圧縮空気の熱と熱交換して高温になった高温空気を、前記除湿手段に供給する除湿剤再生用空気供給ラインを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記除湿空気供給ラインを流れる除湿空気と、前記熱回収後空気供給ラインを流れる熱回収後空気とを熱交換させて、この熱回収後空気を冷却する熱回収熱交換器を設けたことを特徴とする請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気サイクルを用いた冷凍装置に係り、より詳しくは、冷凍効率が優れ、しかも、高い冷凍能率を得ることを可能ならしめるようにした空気サイクルを用いた冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フロン等の冷媒を用いず、空気サイクルを用いて被冷凍物を冷凍する冷凍装置がある。
このような冷凍装置としては、例えば後述する構成になるものが公知である。この従来例１に係る冷凍装置によれば、上記のとおり、フロンをはじめとする人口合成冷媒を使用することなく被冷凍物を冷凍することができるため、近年、地球環境への関心が高まる中で注目を集めている。
【０００３】
即ち、これはエアサイクル冷房装置で、このエアサイクル冷房装置は、膨張機と熱交換器と圧縮機とが順に接続されて空気サイクルを行う回路を備えている。この回路には、第１の空気が空気サイクルの作動流体として取り込まれる。取り込まれた第１の空気は、膨張機によって大気圧以下に減圧されて低温となる。低温となった第１の空気は、熱交換機において第２の空気と熱交換を行う。この熱交換により第２の空気を冷却し、冷却した第２の空気を室内に供給して冷房を行うようにしている。熱交換器で第２の空気から吸熱した第１の空気は、圧縮機で大気圧まで圧縮されて上記回路から排出される。また、この空気調和装置は、膨張機がタービン装置で構成され、圧縮機がターボ圧縮機で構成されている。膨張機および圧縮機の各羽根車は、互いにタービン軸で連結されている。そして、タービン軸がモータにより駆動されるようになっている。また、空気が膨張する際の膨張仕事は、タービン軸を介して圧縮機の駆動力として回収されるように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
上記従来例１に係るエアサイクル冷房装置の場合には、取り込んだ空気をそのまま膨張機で膨張させるように構成されている。取り込んだ空気中には水分が含まれているため、膨張仕事の一部が凝縮熱として水分に奪われてしまい、膨張仕事を十分に回収することができないという問題があった。そして、膨張仕事の回収が不十分になるため、圧縮機を駆動するための動力が増大し、これに起因してＣＯＰ（成績係数）の低下を招くという問題があった。
【０００５】
ところで、空気の圧縮に要する動力を低減してＣＯＰを向上させるようにした空気調和装置が提案されている。以下、この従来例２に係る空気調和装置の概要を、その構成を示す概略構成図の図４を参照しながら説明する。図４に示す符号４０は、空気調和装置である。この空気調和装置４０は、空気サイクル部４１と、除湿手段である除湿機構９０と、内部熱交換器４５を備えている。前記空気サイクル部４１は、サイクル回路５０を備えている。このサイクル回路５０は、膨張機５２と、熱交換器６０と、圧縮機５１とが順にダクト接続されてなり、吸熱空気が流れて空気サイクル動作を行うように構成されている。
【０００６】
前記サイクル回路５０は、膨張機５２の入口側に接続される入口ダクト５３と、圧縮機５１の出口側に接続される出口ダクト５４とを備えている。入口ダクト５３は、一端が室外に開口して室外空気を吸熱空気として取り込み、取り込んだ吸熱空気を膨張機５２に供給する。出口ダクト５４は、一端が室外に開口して圧縮機５１からの吸熱空気を室外へ排出する。これら圧縮機５１と膨張機５２は、モータ６５により駆動される回転軸６６で連結されており、モータ６５で駆動されるように構成されている。前記熱交換器６０には、吸熱側通路６２が区画形成されている。この吸熱側通路６２は、一端が前記膨張機５２と、他端が圧縮機５１とそれぞれダクト接続され、内部に吸熱空気が流される。そして、この熱交換器６０は、吸熱側通路６２の吸熱空気と被冷却空気である室内空気とを熱交換させるように構成されている。
【０００７】
前記除湿機構９０は、入口ダクト５３および出口ダクト５４の途中に設けられている。
この除湿機構９０は、ロータ部材９１、吸湿部９２、放湿部９３を備えており、ロータリー式の除湿器と同構成になっている。前記ロータ部材９１は、円板状であって、かつ厚さ方向に空気を通過させるように構成されている。このロータ部材９１は、水分を吸着する固体吸着剤を備え、通過する空気を固体吸着剤と接触させる湿度媒体を構成している。
また、ロータ部材９１には、図示されていないが、駆動モータが連結され、この駆動モータで回転駆動されて吸湿部９２と放湿部９３との間を移動するように構成されている。
前記ロータ部材９１の固体吸着剤は、多孔性の無機化合物を主成分として構成される。
【０００８】
前記無機化合物は、細孔径が０．１〜２０ｎｍ程度で水分を吸着するものが選ばれる。
前記吸湿部９２は入口ダクト５３の途中に配設されているので、吸湿部９２では、入口ダクト５３内の吸熱空気がロータ部材９１を通過し、吸熱空気中の水分がロータ部材９１の固体吸着剤に吸着される。これによって、吸熱空気が除湿される。前記放湿部９３は、出口ダクト５４の途中に配設されているので、放湿部９３では、出口ダクト５４内の吸熱空気がロータ部材９１を通過し、ロータ部材９１の固体吸着剤に吸着された水分が脱着して吸熱空気中に放湿される。これによって、固体吸着剤が再生される。
【０００９】
上記構成になる空気調和装置４０によれば、ロータ部材９１の固体吸着剤により吸熱空気中の水分が予め除去されている。従って、膨張仕事の一部が凝縮熱として水分に奪われるようなことがないので、膨張仕事を十分に回収することができる。そして、膨張仕事の回収が十分であるため、圧縮機を駆動するための動力が増大するようなことがないから、ＣＯＰが低下するような恐れもない（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平５−２３８４８９号公報
【特許文献２】特開２０００−３１４５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記従来例２に係る空気調和装置によれば、上記のとおり、膨張仕事の一部が凝縮熱として水分に奪われるようなことがなく、膨張仕事を十分に回収することができるので優れている。しかしながら、空気サイクル内の冷凍部が大気以下となり、プロセス空気を冷凍室に直接吹き込むことができない。従って、被冷凍物と冷凍部との間に熱交換器が必要になるため冷凍効率が低下する。また、プロセス空気の圧力が低い状態でサイクルさせるため、高い冷凍能率を得ることができない。
【００１１】
従って、本発明の目的は、冷凍効率が優れ、しかも、高い冷凍能率を得ることができる冷凍装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、従って上記課題を解決するために本発明の請求項１に係る冷凍装置が採用した手段は、冷凍室内で被冷却物を冷却する冷凍装置であって、前記冷凍室から排出される空気中の水分を除湿する除湿手段と、この除湿手段から除湿空気供給ラインを介して供給される除湿空気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から圧縮空気吐出ラインを介して吐出される圧縮空気の熱を回収する廃熱回収用熱交換器と、この廃熱回収用熱交換器から熱回収後空気供給ラインを介して供給される熱回収後空気を断熱膨張させる膨張機と、この膨張機から排出される断熱膨張後の冷凍用空気を前記冷凍室に供給する冷凍用空気供給ラインとを備えてなることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項２に係る冷凍装置が採用した手段は、請求項１に記載の冷凍装置において、前記廃熱回収用熱交換器で前記圧縮空気の熱と熱交換して高温になった高温空気を、前記除湿手段に供給する除湿剤再生用空気供給ラインを備えてなることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項３に係る冷凍装置が採用した手段は、請求項１または２のうちの何れか一つの項に記載の冷凍装置において、前記除湿空気供給ラインを流れる除湿空気と、前記熱回収後空気供給ラインを流れる熱回収後空気とを熱交換させて、この熱回収後空気を冷却する熱回収熱交換器を設けたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の請求項１乃至３に係る冷凍装置は、冷凍室から排出され、除湿手段で水分が除湿された除湿空気を圧縮機で圧縮し、圧縮された圧縮空気の熱を廃熱回収用熱交換器で回収した熱回収後空気を膨張機により断熱膨張させて低温の冷凍用空気を得る構成である。
従って、プロ空気の圧力が大気圧以下になることがなく、断熱膨張により低温になった冷凍用空気を冷凍室に直接供給して、冷凍室内の被冷凍物を冷凍することができるから、冷凍効率が向上する。また、冷凍室の空気流出口から出て、除湿手段、圧縮機、廃熱回収用熱交換器、膨張機を経て冷凍室の冷凍用空気流入口に流入するまでのプロセス空気の圧力が高いため、冷凍能力が高い。
【００１６】
本発明の請求項２に係る冷凍装置は、廃熱回収用熱交換器で圧縮空気と熱交換した空気を、除湿手段に供給する除湿剤再生空気供給ラインを備えている。従って、廃熱を除湿剤の再生に有効活用することができ、しかも膨張機に供給される圧縮空気の温度を下げることができるから、断熱膨張後の冷凍用空気の温度をより低温にすることができる。
【００１７】
本発明の請求項３に係る冷凍装置は、冷凍室から排出され、除湿手段で水分が除湿されて除湿空気供給ラインを流れる除湿空気と、前記熱回収後空気供給ラインを流れる熱回収後空気とを熱交換させて、この熱回収後空気をさらに冷却する熱回収熱交換器が設けられている。従って、膨張機に対してより低温の圧縮空気を供給することができ、断熱膨張後の冷凍用空気の温度をより低温にすることができるから、冷凍室により低温の冷凍用空気を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の形態１に係る冷凍装置を、添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の形態１に係る冷凍装置の構成を示す概略構成図である。
【００１９】
図１に示す符号１は、本発明の形態１に係る空気サイクルを利用する冷凍装置であって、この冷凍装置１は、後述する構成になる空気サイクル回路２を備えている。この空気サイクル回路２は、冷凍室３の空気流出口３ａから排出される空気中の水分を除湿する除湿手段である吸着器２ａを備えている。そして、この吸着器２ａから除湿空気供給ライン２ｂを介して供給される除湿空気を圧縮する圧縮機２ｃを備えると共に、この圧縮機２ｃから圧縮空気吐出ライン２ｄを介して吐出される圧縮空気の熱を回収する廃熱回収用熱交換器２ｅを備えている。
【００２０】
さらに、この廃熱回収用熱交換器２ｅから熱回収後空気供給ライン２ｆを介して供給される熱回収後空気を断熱膨張させる膨張機である膨張タービン２ｇを備えると共に、この膨張タービン２ｇから排出される断熱膨張後の冷凍用空気を前記冷凍室３の冷凍用空気入口３ｂに供給する冷凍用空気供給ライン２ｈを備えている。前記圧縮機２ｃと膨張タービン２ｇとは、従来例２と同様に、駆動モータ５により回転される回転軸６で回転されるように構成されている。
【００２１】
また、この冷凍装置１は前記吸着器２ａの図示しない吸着剤（除湿剤）に吸着された水分を除去する除湿剤再生用空気（以下、吸着材再生用空気という。）を供給する除湿剤再生用空気供給ラインである吸着剤再生ライン４を備えている。この吸着剤再生ライン４は、前記廃熱回収用熱交換器２ｅを介して前記吸着器２ａに連通しており、吸引した外気の空気を廃熱回収用熱交換器２ｅで回収した圧縮空気の熱と熱交換させることにより高温の吸着材再生用空気とし、この吸着材再生用空気を吸着器２ａに供給し、吸着剤再生後の水分を含んだ吸着材再生用空気を吸着器２ａから大気中に放出するように構成されている。
なお、この吸着器２ａは従来と同様であって、ロータリー式の構成で、吸着剤は多孔性の無機化合物を主成分とする固体吸着剤である。
【００２２】
以下、本発明の形態１に係る冷凍装置１の作用態様を説明する。冷凍室３の空気流出口３ａから排出された空気は吸着器２ａにより水分が除湿され、除湿空気は除湿空気供給ライン２ｂを介して圧縮機２ｃに供給される。供給された除湿空気はこの圧縮機２ｃにより大気圧の約３倍の圧力に圧縮され、圧縮された圧縮空気は圧縮空気吐出ライン２ｄを介して廃熱交換用熱交換器２ｅに供給される。この廃熱交換用熱交換器２ｅにおいて、圧縮空気は吸着材再生ライン４を流れる空気を高温にし、自身は低温になり、熱回収後空気として熱回収後空気供給ライン２ｆを介して膨張タービン２ｇに流入する。そして、この膨張タービン２ｇで断熱膨張されて、除湿率に応じた温度の冷凍用空気となって冷凍用空気供給ライン２ｈを介して冷凍室３の冷凍用空気流入口３ｂに流入する。
【００２３】
本発明の形態１においては、膨張タービン２ｇに供給される熱回収後空気は、予め除湿されているので、断熱膨張する際に水分が凝縮、凝固するようなことがなく、しかも除湿による空気の飽和温度の低下により、より低温の冷凍用空気を冷凍室３に供給することができる。また、膨張タービン２ｇの出口における断熱膨張後の冷凍用空気の圧力は大気圧と同圧である。従って、大気圧と同圧の冷凍用空気を直接被冷却物に吹き付けて供給することができるから、従来の熱交換器を介した間接冷凍方式よりも、冷凍装置と被冷凍物との熱交換効率が向上する。また、廃熱を吸着剤の再生に有効活用することができ、極めて経済的である。
【００２４】
次に、本発明の形態２に係る冷凍装置を、添付図面を参照しながら説明する。図２は本発明の形態２に係る冷凍装置の構成を示す概略構成図、図３は除湿空気の除湿率（％）に対する冷凍用空気温度の関係説明図である。なお、本実施の形態２が上記形態１と相違するところは、空気サイクル回路に熱回収熱交換器が設けられている点にあり、これ以外はすべて上記形態１と同構成であるから、上記形態１と同一のものに同一符号を付し、かつ同一名称をも以って、主としてその相違する点について説明する。
【００２５】
図１と図２との比較において良く理解されるように、冷凍室３の空気流出口３ａから排出され、吸着器２ａで水分が除湿されて除湿空気供給ライン２ｂを流れる除湿空気と、前記熱回収後空気供給ライン２ｆを流れる熱回収後空気とを熱交換させて、この熱回収後空気をさらに冷却する熱回収熱交換器２ｉが設けられている。
【００２６】
従って、膨張タービン２ｇに対してより低温の圧縮空気を供給することができ、断熱膨張後の冷凍用空気の温度をより低温にすることができるから、冷凍室により低温の冷凍用空気を供給することができる。
【００２７】
より具体的には、図２中に記載されているとおり、凍室３の空気流出口３ａから排出された空気（０．１ＭＰａ，−３０℃，１．７４Ｅ−０．５ｋｇ／ｋｇ）は吸着器２ａにより水分が除湿され、除湿空気（−２９．９８℃，１．０Ｅ−０．５ｋｇ／ｋｇ）は除湿空気供給ライン２ｂを介して熱回収熱交換器２ｉに流入し、４０℃の除湿空気として圧縮機２ｃに供給される。供給された４０℃の除湿空気はこの圧縮機２ｃにより大気圧の約３倍の圧力に圧縮され、圧縮された圧縮空気（０．３ＭＰａ，１３２．４℃）は圧縮空気吐出ライン２ｄを介して廃熱交換用熱交換器２ｅに供給される。なお、１．７４Ｅ−０．５ｋｇ／ｋｇや１．０Ｅ−０．５ｋｇ／ｋｇにおけるｋｇ／ｋｇは、空気１ｋｇ当たりの水の重量を意味するものである。
【００２８】
前記廃熱交換用熱交換器２ｅにおいて、圧縮空気は吸着材再生ライン４を流れる空気を高温にし、自身は３９．７℃の低温になり、熱回収後空気として熱回収後空気供給ライン２ｆを介して熱回収熱交換器２ｉに流入し、熱交換により−３０．３℃になって膨張タービン２ｇに流入する。そして、この膨張タービン２ｇで断熱膨張されて、除湿率に応じた温度の冷凍用空気（０．１ＭＰａ，−７０．９℃）となって冷凍用空気供給ライン２ｈを介して冷凍室３の冷凍用空気流入口３ｂに流入する。なお、この冷凍室３の冷凍用空気流入口３ｂにおける冷凍用空気は、０．１ＭＰａ，−６０℃，１．０Ｅ−０．５ｋｇ／ｋｇである。
【００２９】
圧縮機に供給する除湿空気の除湿率（％）に対する冷凍用空気温度の関係は、縦軸に冷凍用空気温度（℃）をとり、横軸に除湿空気の除湿率（％）をとって示す、その関係説明図の図３に示すとおりである。即ち、この図３によれば、圧縮機に供給する除湿空気の除湿率が高くなるほどより低温の冷凍用空気を冷凍室３に供給し得ることが示されている。
より具体的には、本発明の形態２では、除湿空気の除湿率が０％の場合には約−５７℃の冷凍用空気を、除湿空気の除湿率が２５％の場合には約−６５℃の冷凍用空気を、除湿空気の除湿率が４２％の場合には約−７０．９℃の冷凍用空気を冷凍室３に供給することができる。このように、より低温の冷凍用空気を冷凍室３に供給することができるのは、除湿により空気の飽和温度が低下するためである。
【００３０】
以上では、吸着器２ａの吸着剤が、多孔性の無機化合物を主成分とする固体吸着剤である場合を例として説明したが、例えば臭化リチウム、塩水酸リチウム、水酸化ナトリウム等の吸収材や、気体分離膜等の分離膜を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の形態１に係る冷凍装置の構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明の形態２に係る冷凍装置の構成を示す概略構成図である。
【図３】本発明の形態２に係り、除湿空気の除湿率（％）に対する冷凍用空気温度の関係説明図である。
【図４】従来例２に係る空気調和装置の構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…冷凍装置
２…空気サイクル回路，２ａ…吸着器，２ｂ…除湿空気供給ライン，２ｃ…圧縮機，２ｄ…圧縮空気供給ライン，２ｅ…廃熱交換用熱交換器，２ｆ…熱回収後空気供給ライン，２ｇ…膨張タービン，２ｈ…冷凍用空気供給ライン，２ｉ…熱回収熱交換器
３…冷凍室，３ａ…空気流出口，３ｂ…冷凍用空気流入口
４…吸着剤再生ライン
５…電動モータ
６…回転軸
【図１】
2006090599.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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