(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置、及びＣＯ２を冷媒とする二次冷凍サイクル装置が液化器を介して接続されてなるＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置と、該二次冷媒冷凍装置からＣＯ２冷媒液が供給される熱交換器及び空気循環ファンを備えた複数の空気冷却器が内部に配置されたフリーザーとを用い、該フリーザーに被凍結物を搬入して凍結処理するフリーザー装置の運転制御方法において、
前記フリーザーの庫内温度を検出し、この温度検出値に基づいて前記複数の空気冷却器のうちＣＯ２冷媒液が熱交換器に供給されて庫内空気と熱交換を行なう空気冷却器の台数を制御すると共に、前記空気循環ファンの発停又は回転数を制御して、前記一次冷凍サイクル装置の過負荷を防止するようにするとともに、
フリーザー装置の運転終了時に、前記空気冷却器の熱交換器に残るＣＯ２冷媒液の蒸発吸収熱量を予測すると共に、該蒸発吸収熱量によって凍結処理可能な被凍結物量を演算し、
この演算量に相当する最後の被凍結物が凍結庫に投入された時点で、前記ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置から前記熱交換器へのＣＯ２冷媒液の供給を停止するようにしたことを特徴とするフリーザー装置の運転制御方法。
【請求項２】
ＣＯ２冷媒の液化を行なう前記一次冷凍サイクル装置の圧縮機の回転数と電流値との積を過負荷パラメータとし、該過負荷パラメータが予め設定された値を超えないように、前記空気冷却器の台数と空気循環ファンの発停又は回転数とを制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のフリーザー装置の運転制御方法。
【請求項３】
フリーザー装置の定常運転時には、前記ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置から前記空気冷却器の熱交換器に供給されるＣＯ２冷媒液の蒸発温度又は蒸発圧力を設定値に保持し、これによって、前記フリーザーの庫内空気を設定温度に制御するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のフリーザー装置の運転制御方法。
【請求項４】
ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置、及びＣＯ２を冷媒とする二次冷凍サイクル装置が液化器を介して接続されてなるＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置と、該二次冷媒冷凍装置からＣＯ２冷媒液が供給される熱交換器及び空気循環ファンを備えた複数の空気冷却器が内部に配置されたフリーザーとからなり、該フリーザーに被凍結物を搬入して凍結処理するフリーザー装置において、
前記フリーザーの庫内温度を検出する温度センサと、該温度センサによって検出された温度検出値に基づいて前記複数の空気冷却器のうちＣＯ２冷媒液が熱交換器に供給される空気冷却器の台数を制御すると共に、前記空気循環ファンの回転数を制御して、前記一次冷凍サイクル装置の過負荷を防止するコントローラと、を備え、
前記コントローラはフリーザー装置の運転終了時に、前記空気冷却器の熱交換器に残るＣＯ２冷媒液の蒸発吸収熱量を予測すると共に、該蒸発吸収熱量によって凍結処理可能な被凍結物量を演算し、
この演算量に相当する最後の被凍結物が凍結庫に投入された時点で、前記ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置から前記熱交換器へのＣＯ２冷媒液の供給を停止するようにしたコントローラであることを特徴とするフリーザー装置。
【請求項５】
ＣＯ２冷媒の液化を行なう前記一次冷凍サイクル装置の圧縮機の回転数と電流値との積を過負荷パラメータとし、前記コントローラが、該過負荷パラメータが予め設定された値を超えないように、前記空気冷却器の台数及び空気循環ファンの回転数を制御するものであることを特徴とする請求項４に記載のフリーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＨ３を一次冷媒とし、ＣＯ２を二次冷媒としたＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置を用い、食品等の被凍結物を凍結処理するフリーザー装置及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然冷媒としてＮＨ３を使った冷凍装置は、ＮＨ３が人体に有害であるため、安全性を高めるために、二次冷媒として、自然冷媒であるＣＯ２を用いた間接冷却方式が主流となっている。その理由は、液体ＣＯ２の良好な熱特性と低粘度特性とにより、装置全体の熱効率が高くなり、省エネが達成できるからである。
【０００３】
冷凍食品などの被凍結物を連続凍結するフリーザーにも、このＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒の冷却システムの採用が増加してきている。本出願人は、先に、ＣＯ２二次冷媒をフリーザーとの間で循環させる循環経路を備えたＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍システムにおいて、該循環経路に設けられた冷凍装置側の機器の配置位置の高低差等の影響を受けずに、ＣＯ２二次冷媒の循環を円滑に行なえるようにしたＣＯ２二次冷媒冷凍システムを提案している（特許文献１）。
【０００４】
また、本出願人は、ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍システムにおいて、ＣＯ２循環経路に設けられた冷凍装置側の機器と被冷却室との間の高低差によって、フリーザーの冷却能力が影響を受けないＣＯ２二次冷媒冷凍システムを提案している（特許文献２）。このＣＯ２二次冷媒冷凍システムは、空気冷却器の熱交換器群と同一高さに液面形成容器を設け、該液面形成容器内にＣＯ２冷媒液の液面を形成させることにより、ＣＯ２冷媒の戻り管路にＣＯ２冷媒の液柱を形成させないようにしたものである。
【０００５】
即ち、ＣＯ２冷媒の戻り管路にＣＯ２冷媒液の液柱が形成されないため、ＣＯ２冷媒ガスを冷凍装置にスムーズに戻すことができる。これによって、空気冷却器の熱交換器群内のＣＯ２冷媒ガス圧の上昇を防止できるので、空気冷却器の冷却能力が低下しない。そのため、ＣＯ２冷媒液の受液器等の機器を被冷却室内に配置された空気冷却器より高い位置に配置しても、冷却能力が低下しないため、ＣＯ２冷媒液の受液器等の機器の配置位置に制約を受けず、設置の自由度を広げることができる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００６／０３８３５４号公報
【特許文献２】特願２００９−１８６８１９号明細書及び図面（非公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
被凍結物の凍結を行なうフリーザーでは、操業開始時にフリーザーの内部を常温から凍結温度まで冷し込み運転を行なう必要がある。冷し込み運転ではフリーザー装置の圧縮機用モータの負荷が大きくなるために、過負荷にならないように調整する必要がある。
特に、液体ＣＯ２を二次冷媒とするフリーザーでは、負荷側の変化に敏感に反応して、ＣＯ２圧力が大きく変動する特性がある。そこで、それに起因して起こるＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの過負荷を避けて、安定した連続運転を行なう必要がある。
【０００８】
一方、定常運転においても、前工程の状態などで、フリーザーに加わる負荷は常に変動している。かかる変動にスムーズに対応させて、ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置を安定運転させる必要がある。他方で、被凍結物の品質安定のために、フリーザーの庫内温度を設定された温度に一定に保つことも要求される。
【０００９】
また、操業終了時には、フリーザーの内部は洗浄され、開放されるので、空気冷却器内の液体ＣＯ２を冷凍装置に回収する必要がある。この回収運転は、従来、被凍結物の凍結庫への搬入と、空気冷却器への液体ＣＯ２の供給とを停止し、空気冷却器の空気循環ファンを駆動しながら、空気冷却器内の液体ＣＯ２が気化して、冷凍装置に戻るのを待つようにしている。しかし、被凍結物がフリーザーに搬入されないので冷却負荷がないため、液体ＣＯ２の気化に長い時間がかかり、通常３０分程度の時間を要している。しかも、この回収運転は、何ら操業に寄与するものではなく、無駄な動力となっている。
【００１０】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ＮＨ３を一次冷媒とし、ＣＯ２を二次冷媒としたＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置を用いて、食品などを連続凍結するフリーザーにおいて、冷し込み運転時の冷凍装置の過負荷を防止し、安定した連続運転を可能にすることを目的とする。
また、定常運転時においても凍結温度が安定した連続運転を可能にすると共に、運転終了時に、無駄な回収運転をなくすことを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる目的を達成するため、本発明のフリーザー装置の運転制御方法は、
ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置、及びＣＯ２を冷媒とする二次冷凍サイクル装置が液化器を介して接続されてなるＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置と、該二次冷媒冷凍装置からＣＯ２冷媒液が供給される熱交換器及び空気循環ファンを備えた複数の空気冷却器が内部に配置されたフリーザーとを用い、該フリーザーに被凍結物を搬入して凍結処理するフリーザー装置の運転制御方法において、
前記フリーザーの庫内温度を検出し、この温度検出値に基づいて前記複数の空気冷却器のうちＣＯ２冷媒液が熱交換器に供給されて庫内空気と熱交換を行なう空気冷却器の台数を制御すると共に、前記空気循環ファンの発停又は回転数を制御して、前記一次冷凍サイクル装置の過負荷を防止するようにするとともに、
フリーザー装置の運転終了時に、前記空気冷却器の熱交換器に残るＣＯ２冷媒液の蒸発吸収熱量を予測すると共に、該蒸発吸収熱量によって凍結処理可能な被凍結物量を演算し、
この演算量に相当する最後の被凍結物が凍結庫に投入された時点で、前記ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置から前記熱交換器へのＣＯ２冷媒液の供給を停止するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
通常、空気冷却器に供給する冷媒量を制御弁で調節したり、あるいは空気循環ファンの発停又は回転数を制御して負荷の変動に対処することが考えられる。しかし、ＣＯ２冷媒の場合、負荷の変動で圧力が大きく変動するため、前記手段では対応できない。
本発明方法では、フリーザー装置の運転終了時に、前記空気冷却器の熱交換器に残るＣＯ２冷媒液の蒸発吸収熱量を予測すると共に、該蒸発吸収熱量によって凍結処理可能な被凍結物量を演算し、  この演算量に相当する最後の被凍結物が凍結庫に投入された時点で、前記ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置から前記熱交換器へのＣＯ２冷媒液の供給を停止するようにしたことにより、ＣＯ２冷媒の圧力変動に対処可能にし、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置の過負荷防止とフリーザーの連続安定運転とを可能にしたものである。
【００１３】
冷し込み運転時など、フリーザーの庫内温度が高い時には、フリーザー装置の圧縮機用モータの負荷が高くなる。そのため、本発明方法では、フリーザーの庫内温度を検出し、この温度検出値に基づいて、庫内空気の冷却に供する空気冷却器の台数制御と、空気循環ファンの回転数制御とを組み合わせて、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの圧縮機用モータの過負荷を防止するようにしている。
具体的には、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの圧縮機用モータの負荷が高い時には、フリーザーの庫内空気とＣＯ２冷媒との熱交換量が多くなる。そのため、ＣＯ２冷媒液を供給する空気冷却器の台数を少なくするか、あるいは空気循環ファンの回転数を低減して、ＣＯ２冷媒液と庫内空気との熱交換量を少なくするようにする。
【００１４】
このように、冷却に供する空気冷却器の台数制御により、空気冷却器へのＣＯ２冷媒液の供給量を抑え、あるいは空気循環ファンの回転数を低減することにより、ＣＯ２冷媒液と庫内空気との熱交換量を少なくする。これによって、ＣＯ２冷媒液の気化を抑え、ＣＯ２冷媒ガス圧の過剰上昇を抑えることができるので、ＣＯ２冷媒の液化を行うＮＨ３冷媒の圧縮機用モータの過負荷を防止できる。
【００１５】
本発明方法において、ＣＯ２冷媒の液化を行うＮＨ３冷媒の圧縮機の回転数と電流値との積を過負荷パラメータとし、該過負荷パラメータが予め設定された値を超えないように、空気冷却器の台数及び空気循環ファンの発停又は回転数を制御するようにするとよい。
ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの負荷状態は圧縮機に流れる電流値で知ることができる。前記過負荷パラメータを設定することにより、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの過負荷状態を数値で明瞭に表すことができるので、制御が容易になる。
【００１６】
本発明方法において、空気冷却器の熱交換器に連通し、該熱交換器と同一高さに設けられた液面形成容器に熱交換器内のＣＯ２液面と同一高さのＣＯ２液面を形成させ、ＣＯ２冷媒をＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置に戻す戻り管路内にＣＯ２冷媒の液柱を形成させないようにするとよい。
このように、戻り管路内にＣＯ２冷媒の液柱を形成させないようにすることで、この液柱がＣＯ２冷媒ガスの戻りを阻害するのを防止し、空気冷却器の熱交換器内のＣＯ２冷媒の蒸発圧力の上昇を防止できる。これによって、空気冷却器の冷却温度の上昇を防止できる。
【００１７】
本発明方法において、フリーザー装置の定常運転時には、ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置から空気冷却器の熱交換器に供給されたＣＯ２冷媒液の蒸発温度又は蒸発圧力を設定値に保持し、これによって、フリーザーの内部を設定温度に制御するようにするとよい。
定常運転時には、フリーザーの庫内空気温度を設定値に保持する必要があり、そのため、空気冷却器の稼動台数制御及び空気循環ファンの回転数制御を行なって、空気冷却器の熱交換器での空気とＣＯ２冷媒との熱交換量を制御する。これによって、ＣＯ２冷媒の飽和温度又は飽和圧力を設定値に保持し、凍結庫内の温度を常に被凍結物の凍結処理に最適な温度に保持することが容易になる。
【００１８】
本発明方法において、フリーザー装置の運転終了時に、空気冷却器の熱交換器に残るＣＯ２冷媒液の蒸発吸収熱量を予測すると共に、該蒸発吸収熱量によって凍結処理可能な被凍結物量を演算し、この演算量に相当する最後の被凍結物が凍結庫に投入された時点で、ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置から前記熱交換器へのＣＯ２冷媒液の供給を停止するようにするとよい。
これによって、フリーザー装置の運転終了時に、空気冷却器の熱交換器に残ったＣＯ２冷媒液の回収運転を行なう時においても、被凍結物の凍結処理を行なうことでＣＯ２冷媒液の蒸発負荷が確保できる。残存ＣＯ２冷媒液を被凍結物の凍結処理に利用できるので、ＣＯ２冷媒液の回収運転に要する動力を無駄にすることがない。
【００１９】
前記本発明方法の実施に直接使用可能な本発明のフリーザー装置は、
ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置、及びＣＯ２を冷媒とする二次冷凍サイクル装置が液化器を介して接続されてなるＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置と、該二次冷媒冷凍装置からＣＯ２冷媒液が供給される熱交換器及び空気循環ファンを備えた複数の空気冷却器が内部に配置されたフリーザーとからなり、該フリーザーに被凍結物を搬入して凍結処理するフリーザー装置において、
前記フリーザーの庫内温度を検出する温度センサと、該温度センサによって検出された温度検出値に基づいて前記複数の空気冷却器のうちＣＯ２冷媒液が熱交換器に供給される空気冷却器の台数を制御すると共に、前記空気循環ファンの回転数を制御して、前記一次冷凍サイクル装置の過負荷を防止するコントローラと、を備え、
前記コントローラはフリーザー装置の運転終了時に、前記空気冷却器の熱交換器に残るＣＯ２冷媒液の蒸発吸収熱量を予測すると共に、該蒸発吸収熱量によって凍結処理可能な被凍結物量を演算し、
この演算量に相当する最後の被凍結物が凍結庫に投入された時点で、前記ＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置から前記熱交換器へのＣＯ２冷媒液の供給を停止するようにしたコントローラである事を特徴とする。
【００２０】
本発明装置では、温度センサによってフリーザーの庫内温度を検出し、この温度検出値に基づいて、空気冷却器の稼働台数制御と空気循環ファンの発停又は回転数制御とを行なうことによって、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの過負荷を防止するようにしている。これによって、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの過負荷が防止できるので、冷し込み運転時や凍結負荷の変動に対して、ＣＯ２冷媒の液化を行うＮＨ３冷媒の圧縮機用モータを適正に使用することができる。
【００２１】
本発明装置において、ＣＯ２冷媒の液化を行うＮＨ３冷媒の圧縮機の回転数と電流値との積を過負荷パラメータとし、コントローラが、該過負荷パラメータが予め設定された値を超えないように、空気冷却器の台数及び空気循環ファンの回転数を制御するものであるとよい。
前記過負荷パラメータを設定することで、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの過負荷状態を明瞭に把握できるようになり、これを目安に前記制御を行なうことで、過負荷防止制御が容易になる。
【００２２】
本発明装置において、空気冷却器の熱交換器に接続され、該熱交換器と同一高さに設けられた液面形成容器を備え、液面形成容器の内部に該熱交換器と同一高さのＣＯ２液面を形成させ、ＣＯ２冷媒を熱交換管からＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置に戻す戻り管路内にＣＯ２冷媒の液柱を形成させないように構成する。
このように、戻り管路内にＣＯ２冷媒の液柱を形成させないようにすることで、この液柱がＣＯ２冷媒ガスの戻りを阻害するのを防止し、空気冷却器の熱交換器内のＣＯ２冷媒の蒸発圧力の上昇を防止でき、空気冷却器の冷却温度の上昇を防止できる。
【００２３】
前記構成に加えて、液面形成容器に、ＣＯ２冷媒液面を検出する液面検出器と、熱交換器にＣＯ２冷媒液を供給する供給管に介設された開閉弁と、を備え、コントローラによって、液面検出器の液面検出値に基づいて、開閉弁を制御し、液面形成容器内のＣＯ２冷媒液面の高さを一定に保持するように構成するとよい。
このように、液面形成容器内のＣＯ２冷媒液面の高さを一定に保持できるので、空気冷却器の熱交換管内のＣＯ２冷媒液の液面高さを一定に保持できる。そのため、該熱交換器内のＣＯ２冷媒の蒸発温度又は蒸発圧力を一定に保持できるので、フリーザーの庫内空気温度を一定に保持できると共に、空気冷却器の冷却能力の調整が容易になる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明方法によれば、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置、及びＣＯ２を冷媒とする二次冷凍サイクル装置が液化器を介して接続されてなるＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置と、該二次冷媒冷凍装置からＣＯ２冷媒液が供給される熱交換器及び空気循環ファンを備えた複数の空気冷却器が内部に配置されたフリーザーとを用い、該フリーザーに被凍結物を搬入して凍結処理するフリーザー装置の運転制御方法において、フリーザーの庫内温度を検出し、この温度検出値に基づいて複数の空気冷却器のうちＣＯ２冷媒液が熱交換器に供給されて庫内空気と熱交換を行なう空気冷却器の台数を制御すると共に、空気循環ファンの発停又は回転数を制御して、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置の過負荷を防止するようにしたので、フリーザー装置の運転時、特に、冷し込み運転時のＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクルの過負荷を防止でき、かつ安定した連続凍結運転を可能にし、これによって、ＣＯ２冷媒の液化を行うＮＨ３冷媒の圧縮機用モータを適正に使用することができるので、設備コスト費と動力費を低減できる。
【００２５】
また、本発明装置によれば、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置、及びＣＯ２を冷媒とする二次冷凍サイクル装置が液化器を介して接続されてなるＮＨ３／ＣＯ２二次冷媒冷凍装置と、該二次冷媒冷凍装置からＣＯ２冷媒液が供給される熱交換器及び空気循環ファンを備えた複数の空気冷却器が内部に配置されたフリーザーとからなり、該フリーザーに被凍結物を搬入して凍結処理するフリーザー装置において、フリーザーの庫内温度を検出する温度センサと、該温度センサによって検出された温度検出値に基づいて複数の空気冷却器のうちＣＯ２冷媒液が熱交換器に供給される空気冷却器の台数を制御すると共に、空気循環ファンの発停又は回転数を制御して、ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置の過負荷を防止するコントローラと、を備えているので、前記本発明方法と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明方法及び装置の一実施形態に係るフリーザー装置の系統図である。
【図２】前記フリーザー装置のフリーザー内部の平面視断面図である。
【図３】前記フリーザー装置の一部拡大図である。
【図４】前記フリーザー装置の制御装置のブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
本発明方法及び装置の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。まず、図１〜図３により本実施形態に係るフリーザー装置１０の構成を説明する。図１〜図３において、フリーザー装置１０には、２組の冷凍機ユニット１２Ａ及び１２Ｂが設置されている。各冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂには、夫々ＮＨ３を冷媒とする一次冷凍サイクル装置１４Ａ、１４Ｂと、ＣＯ２を冷媒とする二次冷凍サイクル装置３０Ａ、３０Ｂとが設けられ、両者はＣＯ２液化器を介して接続されている。
【００２９】
一次冷凍サイクル装置１４Ａ、１４Ｂは、夫々２台ずつの圧縮機１６ａ〜ｄと、各圧縮機を駆動する駆動モータ１８ａ〜ｄが設けられている。一次冷凍サイクル装置１４Ａ、１４Ｂには、さらに、水冷凝縮器２０ａ、２０ｂと、ＣＯ２液化器２２ａ、２２ｂが設けられている。圧縮機１６ａ〜ｄで圧縮されたＮＨ３冷媒は、水冷凝縮器２０ａ、２０ｂで、後述する密閉型冷却塔４０から送られる冷却水で冷却され凝縮する。凝縮したＮＨ３冷媒は、ＣＯ２液化器２２ａ、２２ｂに送られ、ここでＣＯ２冷媒と熱交換し、ＣＯ２冷媒から凝縮熱を奪って気化する。気化したＮＨ３冷媒は、圧縮機１６ａ〜ｄに戻って再び圧縮される。
【００３０】
二次冷凍サイクル装置３０Ａ、３０Ｂでは、ＣＯ２液化器２２ａ、２２ｂでＮＨ３冷媒と熱交換して液化したＣＯ２冷媒液は、ＣＯ２レシーバー３２ａ、３２ｂに送られ、そこで貯留される。ＣＯ２レシーバー３２ａ、３２ｂには、内部圧力を検出する圧力センサ３４ａ、３４ｂと、内部温度を検出する温度センサ３６ａ、３６ｂが設けられている。ＣＯ２レシーバー３２ａ、３２ｂに貯留されたＣＯ２冷媒液は、−３７℃の温度で後述するフリーザー６０内の空気冷却器に送られる。
【００３１】
なお、フリーザー６０の冷却に供された後の気相状態のＣＯ２冷媒は、ＣＯ２レシーバー３２ａ、３２ｂに戻される。その後、気相のＣＯ２冷媒は液化器２２ａ、２２ｂに送られ、ＮＨ３冷媒と熱交換して液化した後、ＣＯ２レシーバー（受液器）３２ａ、３２ｂに戻される。
【００３２】
冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂには、密閉型冷却塔４０が設けられている。給水装置ｗから清浄水が密閉型冷却塔４０に供給される。密閉型冷却塔４０に供給された冷却水は、密閉型冷却塔４０で散水ポンプ４４による散水の蒸発と送風機による空気とで熱交換され冷却される。この冷却水は、冷却水ポンプ４２ａ、４２ｂにより水冷凝縮器２０ａ、２０ｂに送られる。水冷凝縮器２０ａ、２０ｂでＮＨ３冷媒を冷却して高温となった冷却水は、密閉型冷却水冷塔４０に戻り、再び冷却されて水冷凝縮器２０ａ、２０ｂとの間を循環する。
【００３３】
冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂは密閉された冷凍機室１３Ａ、１３Ｂ内に設置されている。該冷凍機室内の空気を吸引して、該空気に含まれるＮＨ３を除去するアンモニア除害スクラバー５０が設置されている。給水装置ｗから清浄水がアンモニア除害スクラバー５０に供給される。アンモニア除害スクラバー５０には、送風機５２が設けられており、送風機５２が冷凍機室１３Ａ、１３Ｂ内の空気を吸引する。アンモニア除害スクラバー５０で、冷凍機室１３Ａ、１３Ｂ内のＮＨ３冷媒が混じった空気は、散水ポンプ５４で散水された清浄水で洗浄され、ＮＨ３を除去されて冷凍機室１３Ａ、１３Ｂに戻される。
【００３４】
フリーザー６０は、食品等の被凍結物を搬入又は搬出する出入り口６８及び７０を除いて、内部に密閉空間を形成できる断熱隔壁構造を有する。フリーザー６０の内部には、２台の円筒形状の外周面をもつ回転ドラム６２及び６４が設けられている。回転ドラム６２、６４は、回転軸６２ａ、６４ａを中心に矢印ｃ方向に回転する。また、食品等の被凍結物を搬送するベルトコンベア６６が、入口６８から内部へ導設されている。ベルトコンベア６６は、回転ドラム６２及び６４の外周面に沿ってスパイラル状に配置されている。ベルトコンベア６６は、まず回転ドラム６２の外周面の回転と連動して、スパイラル状に上昇した後、回転ドラム６４の外周面の回転と連動してスパイラル状に下降し、その後、出口７０から外部に移動する搬送経路を形成している。
【００３５】
ベルトコンベア６６の搬送面に載置された食品（被凍結物）は、回転ドラム６２及び６４の回転に伴って矢印ｂ、ｃ方向に搬送され、搬送中に庫内の冷気で凍結処理される。フリーザー６０の内部には、６台の空気冷却器７２ａ〜ｆが設けられている。回転ドラム６２の搬送方向上流側に３台の空気冷却器７２ａ〜ｃが上下方向に配置され、回転ドラム６４の搬送方向下流側に３台の空気冷却器７２ｄ〜ｆが上下方向に配置されている。
【００３６】
空気冷却器７２ａ〜ｃには、冷凍機ユニット１２Ａから、ＣＯ２送り管７４ａ及びＣＯ２送り枝管７６ａ〜ｃを介してＣＯ２冷媒液が送られてくる。空気冷却器７２ｄ〜ｆには、冷凍機ユニット１２Ｂから、ＣＯ２送り管７４ｂ及びＣＯ２送り枝管７６ｄ〜ｆを介してＣＯ２冷媒液が送られてくる。ＣＯ２送り管７４ａ、７４ｂには、夫々液ポンプ３８ａ、３８ｂが設けられ、該液ポンプの下流側に、圧力センサ３９ａ及び３９ｂが設けられている。空気冷却器７２ａ〜ｆで庫内空気と熱交換をした後の気相となったＣＯ２冷媒は、ＣＯ２戻り枝管７８ａ〜ｆ及びＣＯ２戻り管８０ａ、８０ｂを介して、ＣＯ２レシーバー３２ａ、３２ｂに戻される。ＣＯ２送り枝管７６ａ〜ｆには、夫々電磁開閉弁８１ａ〜ｆが介設されている。
【００３７】
図３は、空気冷却器７２ａ〜ｆの拡大図である。図３において、空気冷却器７２ａ〜ｆは、入口開口、出口開口及び内部空間を有する。内部空間に熱交換管群８３が設けられ、出口開口側に空気循環ファン８４及びその駆動モータ８４ａ（図２参照）が設けられている。空気循環ファン８４の稼動によって、入口開口から出口開口に向かう空気流ａが形成される。
【００３８】
該熱交換管群８３と同一高さに液面形成容器８４が設けられ、熱交換管群８３と液面形成容器８４とは、ＣＯ２循環管路８６で接続されている。ＣＯ２循環管路８６には逆止弁８８が介設されている。液面形成容器８４には液面検出器９０が設けられている。空気冷却器７２ａ〜ｆの入口側及び出口側には、空気冷却器７２ａ〜ｆの入口側及び出口側の空気温度を検出する温度センサ９２及び９３が設けられている。
【００３９】
フリーザー６０には、エアーデフロスト用タンク９６、デフロスト用エアー供給管９８及びフリーザー６０内に配置されたヘッダー１００からなる庫内空気循環式のエアーデフロスト装置が設けられている。フリーザー装置１０の運転中に、エアーデフロスト用タンク９６からデフロスト用エアー供給管９８を介してデフロスト用エアーがヘッダー１００に供給される。このデフロスト用エアーによって、空気冷却器７２ａ〜ｆの熱交換管群８３の表面に付着した霜を吹き飛ばすようにしている。
【００４０】
また、フリーザー６０には給水管１０２が設けられている。給水管１０２の先端に設けられたヘッダー１０４は、空気冷却器７２ａ〜ｆまで配設され、ヘッダー１０４に多数のノズルが設けられている。フリーザー装置１０の休止中に、給水管１０２からデフロスト用水又は洗浄水を供給し、空気冷却器７２空気冷却器７２ａ〜ｆのデフロストや洗浄を行なう。
【００４１】
かかる構成において、冷凍機ユニット１２ＡのＣＯ２レシーバー３２ａから、空気冷却器７２ａ〜ｃに、ＣＯ２送り管７４ａに介設された液ポンプ３８ａによって、−３７℃のＣＯ２冷媒液が供給される。また、冷凍機ユニット１２ＢのＣＯ２レシーバー３２ｂから、空気冷却器７２ｄ〜ｆに、ＣＯ２送り管７４ｂに介設された液ポンプ３８ｂによって、−３７℃のＣＯ２冷媒液が供給される。なお、ＣＯ２送り管７４ａ、７４ｂとＣＯ２戻り管８０ａ、８０ｂとの間に、バイパス管８２ａ、８２ｂが設けられている。これらのバイパス管により、ＣＯ２冷媒液の循環流路を形成できる。これによって、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂの始動時又は運転終了時に、冷凍機ユニット１２Ａ、１２ＢのみでＣＯ２冷媒液を循環する運転を行なうことができる。
【００４２】
フリーザー装置１０の稼動時に、ＣＯ２冷媒液は、ＣＯ２循環管路８６から熱交換管群８３に供給される。空気冷却器７２ａ〜ｆの内部は、空気循環ファン８４によって空気流ａが形成されている。この空気流ａとＣＯ２冷媒液とが熱交換して、空気流ａを冷却する。これによって、フリーザー６０内の空気温度を−３５℃に保持するようにしている。
【００４３】
図４は、フリーザー装置１０の制御装置を示す。図４において、コントローラ１０６に、圧力センサ３４ａ、３４ｂ、３９ａ、３９ｂ、及び温度センサ３６ａ、３６ｂ、９２、９３及び液面検出器９０の各検出値が入力される。これら検出値に応じて、コントローラ１０６から、電磁開閉弁８１ａ〜ｆの開閉動作指令及び空気循環ファン８４の駆動モータ８４ａに回転数制御指令を発信するように構成されている。
【００４４】
フリーザー装置１０の始動時には、まず、空気冷却器７２ａ〜ｆの空気循環ファン８４を起動させる。始動直後の冷し込み運転では、例えば、空気冷却器７２ａ〜ｆを設置位置に応じて上下方向に３系統に区分けする。温度センサ９３で検出される空気冷却器７２ａ〜ｆの吹き出し空気温度に基づいて、コントローラ１０６によって、ＣＯ２冷媒液を供給する空気冷却器を系統毎に決定する。即ち、コントローラ１０６によって、電磁開閉弁８１ａ〜ｆのうち、冷却に供する空気冷却器の電磁開閉弁を開放する。
【００４５】
以下、空気冷却器７２ａ〜ｆの稼動台数制御を説明する。ここで、最下部に配置された空気冷却器７２ｃ及び７２ｆを第１系統、中段に配置された空気冷却器７２ｂ及び７２ｅを第２系統、最上段に配置された空気冷却器７２ａ及び７２ｄを第３系統と称する。
例えば、空気冷却器７２ａ〜ｆの吹き出し空気温度が８℃以上のときは、第１系統の空気冷却器のみにＣＯ２冷媒液を供給する。吹き出し空気温度が８℃〜−１０℃のときは、第１系統及び第２系統の空気冷却器のＣＯ２冷媒液を供給する。吹き出し空気温度が−１０℃以下のときは、第１〜３系統全部の空気冷却器にＣＯ２冷媒液を供給する。
【００４６】
また、同時に、空気冷却器７２ａ〜ｆの空気循環ファン８４の発停及び回転数を制御する。制御方法は、該吹き出し空気温度の温度検出値が高いほど、冷却に供する空気冷却器の数を減らすか、あるいは各空気冷却器の空気循環ファン８４の回転数を低減するようにする。即ち、吹き出し空気温度が高いほど、ＣＯ２冷媒液と熱交換管群８３との熱交換量が増加するので、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂの負荷が大きくなる。
そのため、吹き出し空気温度が高いほど、冷却に供する空気冷却器の数を減らすか、あるいは空気循環ファン８４の回転数を減らすようにする。これによって、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂの圧縮機１６ａ〜ｄの負荷を低減し、過負荷を防止できる。
【００４７】
本実施形態では、圧縮機１６ａ〜ｄの回転数（ｒｐｍ）と圧縮機の駆動モータ１８ａ〜ｄの電流値（アンペアＡ）との積を過負荷パラメータとする。コントローラ１０６には、過負荷パラメータを演算する過負荷パラメータ演算手段１０８が設けられている。例えば、過負荷パラメータが５４０、０００以上となった時（回転数５６００ｒｐｍ×定格電流値９７Ａ）、圧縮機１６ａ〜ｄが過負荷状態であると判定し、過負荷パラメータが５４０，０００以下となるように、冷却に供する空気冷却器の数及び空気循環ファン８４の回転数の一方又は両方を低減する。
【００４８】
これによって、冷し込み運転時に冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂの過負荷を防止し、安全運転を行なうことができる。具体例として、例えば、フリーザー６０に−３７℃〜―３９℃のＣＯ２冷媒液を供給する場合、圧縮機１６ａ〜ｄの回転数を４，５００〜５，６００ｒｐｍに制御する。これによって、該圧縮機の過負荷を防止し、連続安定運転を可能にする。
【００４９】
定常運転時には、フリーザー６０内の空気温度が設定値（例えば、−３５℃）となるように、冷却に供する空気冷却器の数及び空気循環ファン８４の回転数を制御する。即ち、空気冷却器７２ａ〜ｆに供給されるＣＯ２冷媒液の蒸発温度又は蒸発圧力が設定値に保持されるように、冷却に供する空気冷却器の数と空気循環ファン８４の回転数を制御して、ＣＯ２冷媒液と庫内空気との熱交換量を制御する。
【００５０】
また、冷し込み運転及び定常運転時において、コントローラ１０６によって、液面検出器９０により液面形成容器８５内のＣＯ２冷媒液の液面を監視しておく。そして、該液面が常に一定レベルとなるように、コントローラ１０６によって電磁開閉弁８１ａ〜ｆの開閉制御を行なうようにする。このように、液面形成容器８５内にＣＯ２冷媒液の液面を形成し、その上方に気相域を形成しておくことにより、ＣＯ２戻り枝管７８ａ〜ｆ又はＣＯ２戻り管８０ａ、８０ｂが該液面より上方に配置されているときでも、これら配管内にＣＯ２冷媒液の液柱が形成されない。
【００５１】
該配管内に液柱が形成されると、空気冷却器７２ａ〜ｆで気化したＣＯ２冷媒ガスは、この液柱に封じられて、空気冷却器７２ａ〜ｆの熱交換管群８３から排出するのを妨げられる。そのため、熱交換管群８３のＣＯ２冷媒ガスの蒸発圧力が上昇する。ＣＯ２冷媒ガスの蒸発圧力が上昇すると、蒸発温度も上昇し、空気冷却器７２ａ〜ｆの冷却温度が上昇する。この状態で蒸発温度を低下させようとすると、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂに定格外の運転を強いることになる。そのため、ＣＯＰが低下し、余分な動力が必要になるという問題が起こる。
【００５２】
本実施形態では、液面形成容器８５を設け、液面形成容器８５内にＣＯ２液面を形成させたことにより、ＣＯ２戻り枝管７８ａ〜ｆ又はＣＯ２戻り管８０ａ、８０ｂにＣＯ２冷媒液の液柱が形成されないので、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂに定格内における冷却能力不足が生じることはない。そのため、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂや前記配管の設置場所に制約がなくなり、これら機器類の設計自由度を広げることができる（詳しくは特許文献２を参照）。
【００５３】
フリーザー装置１０の運転終了時には、以下説明する回収運転を行なう。コントローラ１０６は、最終被凍結物量演算手段１１０を備えている。この最終被凍結物量演算手段１１０で、液面検出器９０で検出される液面形成容器８５内のＣＯ２液面レベルから、運転終了時に、液面形成容器８５及び空気冷却器７２ａ〜ｆの熱交換管群８３に残ったＣＯ２冷媒液量を予測する。最終被凍結物量演算手段１１０で、この予測値から残留ＣＯ２冷媒液量を気化させるに必要な熱量を演算する。この熱量と同等の熱交換量を得られる食品がフリーザー６０に搬入された時点で、コントローラ１０６から冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂに回収運転指令を出し、空気冷却器７２ａ〜ｆへのＣＯ２冷媒液の供給を停止させる。
【００５４】
かかる回収運転を行なうことによって、空気冷却器７２ａ〜ｆに残留したＣＯ２冷媒液を食品等の被凍結物の凍結に利用できるので、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂが無駄な動力を使うことがなくなる。また、残留ＣＯ２冷媒液を食品等の被凍結物との熱交換で気化させるので、残留ＣＯ２冷媒液の回収を短時間で終了させることができる。
【００５５】
本実施形態によれば、フリーザー６０内に複数の空気冷却器７２ａ〜ｆを配設し、フリーザー６０内の温度を監視しつつ、冷却に供する空気冷却器の稼動台数制御と空気循環ファン８４の回転数制御とを組み合わせることにより、フリーザー６０内の温度制御を容易に行なうことができる。これによって、連続安定運転を可能にする。
【００５６】
特に、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂの過負荷運転になりがちな冷し込み運転において、空気冷却器７２ａ〜ｆの熱交換管群８３に供給されたＣＯ２冷媒液の過剰圧力上昇を抑え、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂの圧縮機１６ａ〜ｄの過負荷を防止できる。そのため、圧縮機１６ａ〜ｄの駆動モータ１８ａ〜ｄを適正に使用することができるので、設備コスト費と動力費を低減できる。
また、圧縮機１６ａ〜ｄの回転数と電流値との積を過負荷パラメータとして用いているので、圧縮機１６ａ〜ｄの過負荷度が明瞭に把握でき、過負荷防止制御が容易になる。
【００５７】
また、定常運転時においても、空気冷却器７２ａ〜ｆの稼動台数制御と空気循環ファン８４の回転数制御を組み合わせた温度制御を行なうので、庫内温度を設定値に制御するのが容易になる。これによって、定常運転時の連続安定運転が可能になる。
【００５８】
また、液面形成容器８５を設けたことにより、ＣＯ２戻り枝管７８ａ〜ｆ又はＣＯ２戻り管８０ａ、８０ｂに液柱が形成されないので、空気冷却器７２ａ〜ｆの冷却温度が上昇することはない。そのため、冷凍機ユニット１２Ａ、１２Ｂや前記配管の設置場所に制約がなくなり、これら機器の設計自由度を広げることができる。
【００５９】
また、フリーザー装置１０の運転終了時に、前記回収運転を行なうので、空気冷却器７２ａ〜ｆに残留したＣＯ２冷媒液を食品等の被凍結物の凍結に有効利用でき、冷凍機ユニット１２Ａ、１２ＢのＣＯ２冷媒液回収動力を無駄に消費することがない。また、残留ＣＯ２冷媒液を食品等の被凍結物との熱交換で気化させるので、残留ＣＯ２冷媒液の回収を短時間で終了させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によれば、冷凍食品等を製造するフリーザー装置の配置及び運転制御を容易にし、冷凍機の過負荷運転を防止して、連続安定運転を可能にする。
【符号の説明】
【００６１】
１０                フリーザー装置
１２Ａ、１２Ｂ      冷凍機ユニット
１３Ａ、１３Ｂ      冷凍機室
１４Ａ、１４Ｂ      一次冷凍サイクル装置
１６ａ〜ｄ          圧縮機
１８ａ〜ｄ、８４ａ    駆動モータ
２０ａ、２０ｂ      水冷凝縮器
２２ａ、２２ｂ      ＣＯ２液化器（カスケードコンデンサ）
３０Ａ、３０Ｂ      二次冷凍サイクル装置
３２ａ、３２ｂ      ＣＯ２レシーバー（受液器）
３４ａ、３４ｂ      圧力センサ
３６ａ、３６ｂ、９２，９３    温度センサ
３８ａ、３８ｂ      液ポンプ
４０                密閉型水冷塔
４２ａ、４２ｂ      冷却水ポンプ
４４，５４          散水ポンプ
５０                アンモニア除害スクラバー
５２                送風機
６０                フリーザー
６２，６４          回転ドラム
６２ａ、６４ａ      回転軸
６６                ベルトコンベア
６８                入口
７０                出口
７２ａ〜ｆ          空気冷却器
７４ａ、７４ｂ      ＣＯ２送り管
７６ａ〜ｆ          ＣＯ２送り枝管
７８ａ〜ｆ          ＣＯ２戻り枝管
８０ａ、８０ｂ      ＣＯ２戻り管
８１ａ〜ｆ          電磁開閉弁
８２ａ、８２ｂ      バイパス管
８３                熱交換管群
８４                空気循環ファン
８５                液面形成容器
８６                ＣＯ２循環管路
８８                逆止弁
９０                液面検出器
９６                エアーデフロスト用タンク
９８                デフロスト用エアー供給管
１００，１０４      ヘッダー
１０２              給水管
１０６              コントローラ
１０８              過負荷パラメータ演算手段
１１０              最終被凍結物量演算手段
ｗ                  給水装置
ａ                  空気流
ｂ                  食品搬送方向
ｃ                  回転方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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