(57)【要約】【課題】  アンモニアを媒体とすることを前提とした冷凍システム内に、炭酸ガス冷媒を併用することにより災害発生時等の安全性を高める。また実機で問題となる目的冷凍系装置の冷却負荷の減少についても対応できるようにした異種冷媒を組み合わせた冷凍システムを提供する。【解決手段】  冷凍源系装置１と目的冷凍系装置２と、これらの間に介在する冷媒搬送のための中継系装置３とを具えて成る冷凍システムである。前記中継系装置３は、冷凍源系装置１における蒸発器１４（熱交換器）と、目的冷凍系装置２における凝縮器を含んだ目的系側熱交換器２３との間を循環管路状に構成した中継伝熱サイクルで構成され、冷媒は炭酸ガス冷媒Ｍ３が適用される。一方前記目的冷凍系装置２の冷媒Ｍ２はアンモニアであり、この冷媒Ｍ２はリミットチャージされたことを特徴とする。【選択図】図１
2006275448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷凍源系装置と、目的冷凍系装置と、これらの間に介在する冷媒搬送のための中継系装置とを具え、目的とする冷凍を行うシステムにおいて、
前記冷凍源系装置は、圧縮機と、凝縮器と、蒸発器とを含む独立したアンモニア冷凍サイクルで構成され、
また前記目的冷凍系装置は、目的とする冷却作用を行うための蒸発器と、冷却作用後の冷媒を再冷却するための凝縮器とを具えた独立したサイクルで構成され、
更に冷媒搬送のための前記中継系装置は、冷凍源系装置における蒸発器を含んだ冷凍源側熱交換器と、目的冷凍系装置における凝縮器を含んだ目的系側熱交換器との間を循環管路状に構成した中継伝熱サイクルで構成され、
且つこの中継伝熱サイクルにおける冷媒は、炭酸ガスを適用し、一方前記目的冷凍系装置の冷媒はアンモニアまたは炭化水素であり、且つこの目的冷凍系装置の冷媒はリミットチャージされていることを特徴とする異種冷媒を組み合わせた冷凍システム。
【請求項２】
前記目的冷凍系装置の冷媒サイクルの冷却負荷が増減する状態を負荷センサによって検出するとともに、前記目的冷凍系装置の冷媒サイクルの目的作用側出入口に、前記負荷センサの検出信号により開閉が行われる開閉制御バルブを設けたことを特徴とする請求項１記載の異種冷媒を組み合わせた冷凍システム。
【請求項３】
前記中継系装置は、既存の一連のアンモニア配管を、代替工事により炭酸ガスの循環回路に切り換えて構成したことを特徴とする請求項１または２記載の異種冷媒を組み合わせた冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷凍システムに関するものであって、特にアンモニアを冷媒とすることを前提とした冷凍システム内に他の冷媒系を併用することにより災害発生時等の安全性を高めるようにした異種冷媒を組み合わせた冷凍システムに係るものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば食品製造工場等には、冷媒としての適性の高さからアンモニア冷媒を用いた冷凍（冷却）装置が広く用いられている。このような装置は、例えば工場建屋の外部等に設置した冷凍源設備から、アンモニア冷媒の配管を工場内の所定位置に配管し、目的とする冷却作用を行っている。このためその間の経路は、工場規模にもよるが、少なくとも数１０ｍ以上多くは１００ｍ以上にもわたり、且つそれに伴い冷媒のアンモニアの量も相当な量が備えられている。このような状況で地震等の災害の発生により配管が破損すると、一挙にアンモニアの全量が外部に漏洩気化し、大きな危険と被害をもたらすことも予想される。このため、アンモニアの使用を限定的としながら炭酸ガス等の自然冷媒を組み合わせるシステムも本出願人により既に特許取得され（例えば特許文献１、２、３及び４参照）、且つ実機も稼働実績を有している。
【０００３】
しかしながら、このような設備は工場を新設ないしは設備更新する場合には導入できるものの、既存のアンモニア冷媒を前提とした食品プラント等では、関係する制御機器や補機類の仕様の関係で、システム変更が実質的に難しい場合も多い。例えばアイスクリームの量産工場にあっては歴史的に外国メーカーが供給する製造装置が多く用いられ、我が国での仕様変更等の要求に迅速に応じきれず、従って冷却系の装置主要部は、アンモニア冷媒をそのまま用いるか、あるいはアンモニアに準じた挙動（例えば圧力条件等）を有する冷媒（これらを含めてアンモニア冷媒等とも言う）を用いることを前提として、関連設備はそのまま維持しなければならないという事情も存在している。
【０００４】
ところでこのようなアンモニア冷媒に因む問題に着眼し、この問題解決のために冷凍源系装置と、目的冷凍系装置との間を、別途炭酸ガス冷媒により中継的に熱伝達する手法については、既に提示がなされている（特許文献５参照）。
しかしながら、この手法は実質的に前記本出願人の有する特許文献１〜４等の技術要旨を踏まえた上での提示の域を出ず、具体的に実機で問題となる冷凍負荷の変動等への対応についてはその解決策の提示はない。
【特許文献１】日本国特許第３４５８３１０号公報
【特許文献２】米国特許第６６１９０６６号公報
【特許文献３】豪州特許第７４７６６６号公報
【特許文献４】中国特許第ＺＬ９９８１６３４０．６号公報
【特許文献５】日本国特開２００５−３０６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はこのような背景を考慮してなされたものであって、前記本出願人の特許で開示した技術思想を含んだ上で、工場設備のうちでアンモニア冷媒等を前提とした仕様とすることを条件付けられている諸機材についてはそのままとしながらも、アンモニア漏洩による事故等の発生確率を低く抑えることのでき、且つ実機で問題となる目的冷凍系装置の冷却負荷の減少についても対応できるシステムの開発を試みたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち請求項１記載の異種冷媒を組み合わせた冷凍システムは、冷凍源系装置と、目的冷凍系装置と、これらの間に介在する冷媒搬送のための中継系装置とを具え、目的とする冷凍を行うシステムにおいて、
前記冷凍源系装置は、圧縮機と、凝縮器と、蒸発器とを含む独立したアンモニア冷凍サイクルで構成され、
また前記目的冷凍系装置は、目的とする冷却作用を行うための蒸発器と、冷却作用後の冷媒を再冷却するための凝縮器とを具えた独立したサイクルで構成され、
更に冷媒搬送のための前記中継系装置は、冷凍源系装置における蒸発器を含んだ冷凍源側熱交換器と、目的冷凍系装置における凝縮器を含んだ目的系側熱交換器との間を循環管路状に構成した中継伝熱サイクルで構成され、
且つこの中継伝熱サイクルにおける冷媒は、炭酸ガスを適用し、一方前記目的冷凍系装置の冷媒はアンモニアまたは炭化水素であり、且つこの目的冷凍系装置の冷媒はリミットチャージされていることを特徴として成るものである。
【０００７】
また請求項２記載の異種冷媒を組み合わせた冷凍システムは、前記請求項１記載の要件に加え、前記目的冷凍系装置の冷媒サイクルの冷却負荷が増減する状態を負荷センサによって検出するとともに、前記目的冷凍系装置の冷媒サイクルの目的作用側出入口に、前記負荷センサの検出信号により開閉が行われる開閉制御バルブを設けたことを特徴として成るものである。
【０００８】
更に請求項３記載の異種冷媒を組み合わせた冷凍システムは、前記請求項１または２記載の要件に加え、前記中継系装置は、既存の一連のアンモニア配管を、代替工事により炭酸ガス（ＣＯ2 ）の循環回路に切り換えて構成したことを特徴として成るものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の異種冷媒を組み合わせた冷凍システムは、上述した手段により以下のような効果を奏するものである。
すなわち請求項１記載の異種冷媒を組み合わせた冷凍システムによれば、地震災害等の発生において、破損の可能性が最も高い中継系装置の構成部材である配管部分には、冷媒として自然冷媒で且つ無害に近い炭酸ガスを適用しているから、事故発生時の危険ないしは被害が低く抑えられているとともに、伝熱効率の面で極めて優れた性質を有する炭酸ガス冷媒により高効率の運転が可能となる。更に目的冷凍系装置はアンモニア冷媒等を用いているものであるから、既存のアンモニア冷媒を前提とした装置であっても、それらの補機類をそのまま流用でき、設備コスト等を低廉に抑えることができ、且つその保守点検についても不都合を生じない。また目的冷凍系装置における冷媒は、リミットチャージされているから、負荷に見合った好適な運転が可能となる。
【００１０】
更に請求項２記載の異種冷媒を組み合わせた冷凍システムによれば、目的冷凍系装置の冷媒のサイクルを制御バルブにより開閉し、冷凍負荷が減少した際には、開閉制御バルブを閉状態にすることにより、蒸発器たるジャケットを密閉状態とし、その気化に伴う内圧増加を利用し、冷却温度を上昇させるように自己制御できるものである。
【００１１】
また請求項３記載の異種冷媒を組み合わせた冷凍システムによれば、アンモニア冷媒を単一的に用いた既存の冷却システムの主要機械設備をそのまま流用しながら、危険度の高い中間の伝熱系の配管を炭酸ガス冷媒の中継伝熱配管とするものであり、既存設備の流用が効果的に行い得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の最良の形態は、具体的には以下の実施例に述べる通りである。
【実施例】
【００１３】
以下本発明を図示の実施の形態に基づき具体的に説明する。
図面は本発明の異種冷媒を組み合わせた冷凍システムの概略を示すものであり、符号１は冷凍源系装置、符号２は目的冷凍系装置、符号３はそれらを結ぶ中継系装置であり、例えば目的とする設備はアイスクリームＡ等の処理材料を冷却し、これを適宜容器Ｐに充填するための装置の一部に適用される。
【００１４】
まず冷凍源系装置１について説明する。このものは冷媒としてアンモニア冷媒Ｍ１を用いたものであり、この装置自体で、アンモニア冷媒Ｍ１のサイクルは完結した状態となっている。すなわち圧縮機１１、凝縮器１２、受液タンク１３、蒸発器１４が、一連のアンモニア冷凍サイクル配管１５によって循環状に配管されるものであり、蒸発器１４は実質的に中継系装置３における炭酸ガス冷媒Ｍ３を冷却させるための熱交換器として作用しているものである。具体的には例えばジャケット状函体内に前記中継系装置３からの中継伝熱配管３１を受け入れるようにしているのである。従って冷凍源系装置１におけるアンモニア冷媒Ｍ１の挙動は蒸発器１４において炭酸ガス冷媒Ｍ３の熱が負荷となって液体アンモニアが蒸発して中継系装置３における炭酸ガス冷媒Ｍ３を冷却するとともにアンモニア冷媒Ｍ１は、そこで気化した状態で圧縮機１１に移動し、ここで適宜昇圧されて、凝縮器１２に向かい、凝縮器１２において、外部から導入する冷却媒体により冷却されて液化し、受液タンク１３に戻るのである。
【００１５】
次に目的冷凍系装置２について説明すると、このものは例えば前述の通り、アイスクリームＡを製造対象としたアイスクリーム冷却装置を目的冷却プラント２１とするものである。すなわち目的冷却プラント２１は、タンク２１ａの一方に供給口２１ｂを備え、他方の側壁中央に送出口２１ｃを開口させ、ここから配管を延ばして、その先端に充填用のノズル２１ｄを備え、ここから半ば凍結したアイスクリームＡを容器Ｐに、所定量充填していくのである。そしてこのようなアイスクリームＡの繰り出しは、タンク２１ａ内に設けられたスクリューコンベヤ２１ｅの作用によってなされる。
【００１６】
このような目的冷却プラント２１に対して、これを冷却するためにタンク２１ａの外周部を取り巻くように蒸発器たるジャケット２２を設けるとともに、別途目的冷凍系装置２における凝縮器として作用する熱交換器２３を併設し、これらを冷媒サイクル配管２５によって、独立したサイクルとして接続するものである。すなわち熱交換器２３は、中継系装置３からの炭酸ガス冷媒Ｍ３により冷却される冷媒サイクル配管２５を内蔵したジャケット状のものであり、この熱交換器２３とジャケット２２との間の冷媒サイクル配管２５の途中には、制御バルブ２６Ａ、２６Ｂをそれぞれ設ける。そしてこれら各制御バルブ２６Ａ、２６Ｂは、目的冷却プラント２１側に設けられた負荷センサ２７の検出信号に基づき制御装置Ｃにより制御されるものであり、各制御バルブ２６Ａ、２６Ｂは制御装置Ｃの出力側に、負荷センサ２７は入力側に接続されている。この冷媒サイクル配管２５内に適用される冷媒Ｍ２の一例はアンモニアを適用するものであるが、もちろん他の冷媒であってもよい。そしてこの冷媒Ｍ２は、冷媒サイクル配管２５と、ジャケット２２とにより構成される容積室に対し、リミットチャージされる。具体的には制御弁２６Ａ、２６Ｂが閉じていて大部分のアンモニア等の冷媒Ｍ２が、アイスクリーム冷却装置等の目的冷却プラント２１側に在っても液封にならない量であって、なおかつ負荷運転時に制御弁２６Ａ、２６Ｂを全開にした状態でアイスクリーム冷却装置等の目的冷却プラント２１及び熱交換器２３が効率良く働くのに充分な量を封入する。
【００１７】
次に上記冷凍源系装置１と目的冷凍系装置２との間を結ぶ中継系装置３について説明する。
中継系装置３は、実質的に中継伝熱配管３１によって構成されるものであり、往路配管３１Ａは、冷凍源系装置１における蒸発器１４から目的冷凍系装置２における熱交換器２３の間に向かって炭酸ガス冷媒Ｍ３が流れるように構成される。一方復路配管３１Ｂは、熱交換器２３からのガス状態の炭酸ガス冷媒Ｍ３を冷凍源系装置１における蒸発器１４に到らせ、これらの間を循環するように構成されている。なお本発明が実質的に効果を発揮し評価されることの一つは、冷凍源系装置１と目的冷凍系装置２とが、すべて単一のアンモニア冷凍サイクルとして構成されることが多い設備における伝熱配管の部分に、炭酸ガス冷媒Ｍ３を適用するようにした点にあり、これらの部分的な後加工のみで多くの主要装置が流用できる点にあるのである。
【００１８】
本発明に係る異種冷媒を組み合わせた冷凍システムは、一例として以上のように構成されるものであり、以下この装置の作動状態について説明する。
まず冷凍源系装置１の運転によりアンモニア冷媒Ｍ１は、蒸発器１４内において、充分に冷却作用を発揮し、この蒸発器１４内を通過する中継伝熱配管３１内に気化状態に送り込まれてくる炭酸ガス冷媒Ｍ３は、冷却を受け液化される。そしてこの冷却された炭酸ガス冷媒Ｍ３が、往路配管３１Ａを通って目的冷凍系装置２における熱交換器２３に到る。なおこの炭酸ガス冷媒Ｍ３の流れは、蒸発器１４と、熱交換器２３との間に液頭差を設けることにより、自然循環が達成される。もちろん中継伝熱配管３１の経路が長く、結果的に途中にトラップを設ける必要がある場合には、図１中破線で示す部位に循環用ポンプＭＴを設けることもある。
【００１９】
そして熱交換器２３内には、目的冷却プラント２１を冷却するための冷却サイクル配管２５の一部が配管されており、ここで冷媒Ｍ２が充分冷却されて目的冷凍系装置２における蒸発器として作用するジャケット２２に到り、このジャケット２２を介して目的冷却プラント２１の一例としてのタンク２１ａを、外部から冷却して内部のアイスクリームＡを冷却するものである。
この冷却に寄与した目的冷凍系装置２の冷媒Ｍ２は、アンモニア冷媒か炭化水素冷媒が適用されるものであり、この冷媒Ｍ２は冷却作用を行うことにより、すなわち熱負荷を受けることにより再度冷媒サイクル配管２５を通り、凝縮器としての熱交換器２３に移動し、ここで冷却されて再びジャケット２２に戻るようなサイクルを繰り返し、冷却を行っている。
【００２０】
ところでこの際、目的冷却プラント２１の関係で、アイスクリームＡの送り出しが滞ったような場合、目的冷凍系装置２としては冷却負荷が下がるものであるから、この状態を負荷センサ２７で検出しその間の冷媒Ｍ２の循環を規制する必要がある。なお負荷センサ２７の具体例としては、目的冷却プラント２１の温度センサであったり、搬送系の諸装置の速度センサであったり、アイスクリームＡの所定位置における総重量を計測する重量計等が適用される。
【００２１】
このような熱負荷が減少する状態、例えば後工程の都合でアイスクリームＡの送り出しが停止したような場合、この状態を負荷センサ２７が検出し、これに基づく制御装置Ｃの信号指令で制御バルブ２６Ａ、２６Ｂを遮断し、リミットチャージされた冷媒Ｍ２の循環を停止するように規制する。この結果、冷凍負荷を受けた冷媒Ｍ２は、そこで気化して体積膨張を促進する。冷媒Ｍ２の体積膨張が促進されると、ジャケット２２内の内圧は高まり、これに伴い気化した冷媒Ｍ２の温度も昇温して過剰な冷却がされないように図られる。もちろんこれに伴い中継系装置３における炭酸ガス冷媒Ｍ３の循環量を適宜制御したり、あるいは冷凍源系装置１における圧縮機１１の運転作動を停止する等の対応を取り、冷凍負荷の減少に応じた運転規制を行うことはもとより差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る異種冷媒を組み合わせた冷凍システムの骨格的説明図である。
【符号の説明】
【００２３】
１        冷凍源系装置
１１      圧縮機
１２      凝縮器
１３      受液タンク
１４      蒸発器（熱交換器）
１５      アンモニア冷凍サイクル配管
２        目的冷凍系装置
２１      目的冷却プラント
２１ａ    タンク
２１ｂ    供給口
２１ｃ    送出口
２１ｄ    ノズル
２１ｅ    スクリューコンベヤ
２２      ジャケット（蒸発器）
２３      熱交換器（凝縮器）
２５      冷媒サイクル配管
２６Ａ    制御バルブ
２６Ｂ    制御バルブ
２７      負荷センサ
３        中継系装置
３１      中継伝熱配管
３１Ａ    往路配管
３１Ｂ    復路配管
Ａ        アイスクリーム
Ｃ        制御装置
Ｍ１      アンモニア冷媒
Ｍ２      冷媒
Ｍ３      炭酸ガス冷媒
ＭＴ      循環用ポンプ
Ｐ        容器
【図１】
2006275448.tif 000003