(57)【要約】【課題】自然系冷媒使用の冷凍装置を備え、ブラインを介して飲料物等の被冷却対象物を冷却する冷却設備において、ブライン量を低減し、かつ冷媒及びブライン等を循環するポンプの動力を低減可能とする。【解決手段】アンモニア冷媒使用のアンモニア冷凍回路２と、二酸化炭素冷媒使用であって該アンモニア冷凍回路とカスケードコンデンサ２０を介して接続する二酸化炭素冷凍回路２１と、該二酸化炭素冷凍回路との間で熱交換を行う第１の熱交換部２４及び被冷却対象物との間で熱交換を行う第２の熱交換部１２が介設されたブライン循環ライン９とからなり、該第１の熱交換部で二酸化炭素冷媒がブラインから蒸発潜熱を吸収する潜熱熱交換を行い、該二酸化炭素冷凍回路を該ブライン循環ライン側に延設して該第１の熱交換部を該第２の熱交換部の近傍に配置して該ブライン循環ラインを短縮させてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然系冷媒使用の冷凍サイクルを構成する冷凍装置を備え、ブラインを介して被冷却対象物を冷却する冷却設備において、
アンモニア冷媒使用の冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍回路と、
二酸化炭素冷媒使用の冷凍サイクルを構成し、該アンモニア冷凍回路とカスケードコンデンサを介して接続する二酸化炭素冷凍回路と、
該二酸化炭素冷凍回路との間で熱交換を行う第１の熱交換部が介設されるとともに、被冷却対象物との間で熱交換を行う第２の熱交換部が介設されたブライン循環ラインとからなり、
該第１の熱交換部で二酸化炭素冷媒がブラインから蒸発潜熱を吸収する潜熱熱交換を行うように構成し、
該二酸化炭素冷凍回路を該ブライン循環ライン側に延設して該第１の熱交換部を該第２の熱交換部の近傍に配置することにより、該ブライン循環ラインを短縮させてなることを特徴とする冷却設備。
【請求項２】
前記二酸化炭素冷凍回路に二酸化炭素冷媒循環ポンプが介設され、前記ブライン循環ラインにブライン循環ポンプが介設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。
【請求項３】
前記カスケードコンデンサを前記第１の熱交換部より高所に設置し、該カスケードコンデンサと該第１の熱交換部との間で二酸化炭素冷媒を自然循環させる循環流路を形成させてなることを特徴とする請求項１に記載の冷却設備。
【請求項４】
フロン系冷媒使用の冷凍サイクルを構成するフロン冷凍回路を用い、該フロン冷凍回路と被冷却対象物との間を循環するブライン循環ラインを介して被冷却対象物を冷却する冷却設備を自然系冷媒を用いた冷却設備に改造する冷却設備の改造方法において、
アンモニア冷媒使用の冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍回路と、該アンモニア冷凍回路とカスケードコンデンサを介して接続され二酸化炭素冷媒使用の冷凍サイクルを構成する二酸化炭素冷凍回路を前記フロン冷凍回路の近傍に設ける第１ステップと、
該二酸化炭素冷凍回路をブライン循環ライン側に延設し、二酸化炭素冷媒がブラインから蒸発潜熱を吸収する潜熱熱交換を行う第１の熱交換部をブラインと被冷却対象物との間で熱交換を行う第２の熱交換部の近傍まで延設する第２ステップと、
該第１の熱交換部を該フロン冷凍回路から該二酸化炭素冷凍回路に切換え接続する第３ステップと、からなることを特徴とする冷却設備の改造方法。
【請求項５】
前記カスケードコンデンサを前記第１の熱交換部より高所に設置し、該カスケードコンデンサと該第１の熱交換部との間で二酸化炭素冷媒を自然循環させることを特徴とする請求項４に記載の冷却設備の改造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然系冷媒を用いて例えば食品や飲料水等の被冷却対象物を冷却するための冷却設備であって、被冷却対象物を冷却するブラインの循環量を削減可能とし、かつ自然系冷媒及びブラインのポンプ動力を低減可能にした冷却設備に関し、またＲ−２２等のＨＣＦＣ系フロン冷媒を用いた冷却設備から自然系冷媒を用いた該冷却設備に改造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フロン系冷媒は、分子構造上ＣＦＣ、ＨＣＦＣ及びＨＦＣに分類される。ＣＦＣ冷媒（クロロフルオロカーボン）は化学的に安定なため分解しにくく、成層圏で初めて分解され、そこで発生した塩素がオゾン層を破壊するため１９９５年末に全廃されている。ＨＣＦＣ冷媒（ハイドロクロロフルオロカーボン）は、化学的にＣＦＣ冷媒ほど安定でないため、成層圏まで達する量が少なく、オゾン層に与える影響がＣＦＣ冷媒の１／２０程度であるが、既に規制を受けている。
【０００３】
ＨＦＣ冷媒は分子中に塩素を含まないため、オゾン層を破壊しない冷媒であり、ＣＦＣ冷媒やＨＣＦＣ冷媒に代わって使用され出した代替冷媒である。このため例えば特許文献１（特開平７−２６９９６４号公報）に開示されているように、ＨＦＣ冷媒又は自然冷媒のアンモニア及び二酸化炭素を使用した冷熱装置が提案され、新設の冷凍回路に検討されている。
【０００４】
図３は、ＨＣＦＣ冷媒に属するＲ−２２冷媒を循環する冷凍サイクルを構成する冷凍回路を備えた従来の冷却設備を示す構成図である。図２において、Ｒ−２２冷凍装置０１は、Ｒ−２２冷媒が循環する循環ライン０２に圧縮機０３、凝縮器０４、膨張弁０５及び蒸発器０６が介設されて冷凍サイクルを構成する。蒸発器０６には、ポンプ０９によってブラインが循環するブライン循環ライン０８が接続されている。
【０００５】
ブライン循環ライン０８は、飲料物等の被冷却対象物を冷却するための冷却部０１０に導設される。冷却部０１０において、ブライン循環ライン０８は、分岐ライン０１１ａ、０１１ｂ及び０１１ｃを介して熱交換器０１２ａ、０１２ｂ及び０１２ｃと接続される。熱交換器０１２ａ、０１２ｂ及び０１２ｃにはそれぞれ被冷却対象物が流れるラインＡ、Ｂ及びＣが配設され、ブラインと熱交換して被冷却対象物を冷却している。なお同一構成の機器が複数存在し、これらの機器に同一の番号を付し、個々の機器を同一番号の末尾にａ、ｂ、ｃ、・・・を付して区別している場合に、この同一機器に共通した事項を該同一機器を総称して説明する場合は、以後末尾のａ、ｂ、ｃ、・・・を省略して示す。
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２６９９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図２に示す従来の冷却設備では、Ｒ−２２冷凍装置０１と冷却部０１０とを結ぶブライン循環ライン０８が長く延設され、大量のブラインが使用されている。現状使用されているブラインは、プロピレングリコール系、エチレングリコール系、蟻酸系及びアルコール系等である。ブラインとしては、環境負荷の少ない熱媒体が用いられるようになってきている。エチレングリコール系はＰＲＴＲ（化管法）の対象物質として削減の方向にある。
【０００８】
また従来ブラインは相変化をせず顕熱熱交換を行い、冷却部０１０での熱交換前後の温度差を５℃程度しか取ることができないため、ポンプ０９の動力を大きくして大流量のブラインを流すことにより、熱交換量を維持している。従ってポンプ０９は大きなポンプ動力を必要とする。
またＲ−２２冷媒が属するＨＣＦＣ系フロンは規制の対象となっており、代替冷媒であるＨＦＣ冷媒や自然系冷媒を使用した冷却設備への転換が求められている。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、自然系冷媒使用の冷凍サイクルを構成する冷凍装置を備え、ブラインを介して飲料物等の被冷却対象物を冷却する冷却設備において、被冷却対象物を冷却するブライン量を低減し、かつ自然系冷媒及びブライン等を循環するポンプの動力を低減可能な冷却設備及びその改造方法を実現することを目的とする。
またＨＣＦＣ冷媒等のフロン系冷媒を用いた既設の冷却施設を自然系冷媒使用の冷却設備に改造する場合に、冷却設備の冷却運転が中断する時間を短縮可能な改造方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するため、本発明の冷却設備は、
自然系冷媒使用の冷凍サイクルを構成する冷凍装置を備え、ブラインを介して被冷却対象物を冷却する冷却設備において、
アンモニア冷媒使用の冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍回路と、
二酸化炭素冷媒使用の冷凍サイクルを構成し、該アンモニア冷凍回路とカスケードコンデンサを介して接続する二酸化炭素冷凍回路と、
該二酸化炭素冷凍回路との間で熱交換を行う第１の熱交換部が介設されるとともに、被冷却対象物との間で熱交換を行う第２の熱交換部が介設されたブライン循環ラインとからなり、
該第１の熱交換部で二酸化炭素冷媒がブラインから蒸発潜熱を吸収する潜熱熱交換を行うように構成し、
該二酸化炭素冷凍回路を該ブライン循環ライン側に延設して該第１の熱交換部を該第２の熱交換部の近傍に配置することにより、該ブライン循環ラインを短縮させてなるものである。
【００１１】
本発明の冷却設備は、アンモニア冷媒が循環して冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍回路と、該アンモニア冷凍回路とカスケードコンデンサを介して接続され二酸化炭素冷媒が循環して冷凍サイクルを構成する二酸化炭素冷凍回路とからなる自然系冷媒を使用する冷凍装置を用いる。
該二酸化炭素冷凍回路を循環する二酸化炭素冷媒は、第１の熱交換部で蒸発して、ブラインから蒸発潜熱を吸収する潜熱熱交換を行う。従って熱交換効率が高く、二酸化炭素冷媒の循環流量が少なくて済む。二酸化炭素冷媒を循環するためのポンプ動力は、従来の顕熱利用のブラインに要するポンプ動力の約１０％程度に低減可能である。
【００１２】
また本発明の冷却設備では、また該二酸化炭素冷凍回路をブライン循環ライン側に延設し、二酸化炭素冷媒とブラインとを熱交換してブラインを冷却する第１の熱交換部を、ブラインと被冷却対象物とを熱交換して被冷却対象物を冷却する第２の熱交換部の近傍に配置することにより、ブライン循環ラインを短縮させているので、ブライン量を低減可能であり、従来に比べてブラインの循環に要するポンプ動力を低減することができる。
【００１３】
また本発明の冷却設備において、カスケードコンデンサを第１の熱交換部より高所に設置し、該カスケードコンデンサと該第１の熱交換部との間で二酸化炭素冷媒を自然循環させる循環流路を形成させるようにしてもよい。このように二酸化炭素冷媒を自然循環させる循環流路を形成すれば、該自然循環路には二酸化炭素冷媒を循環させるポンプが不要になり、ポンプ動力をさらに低減することができる。
【００１４】
また本発明の冷却設備の改造方法は、
フロン系冷媒使用の冷凍サイクルを構成するフロン冷凍回路を用い、該フロン冷凍回路と被冷却対象物との間を循環するブライン循環ラインを介して被冷却対象物を冷却する冷却設備を自然系冷媒を用いた冷却設備に改造する冷却設備の改造方法において、
アンモニア冷媒使用の冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍回路と、該アンモニア冷凍回路とカスケードコンデンサを介して接続され二酸化炭素冷媒使用の冷凍サイクルを構成する二酸化炭素冷凍回路を前記フロン冷凍回路の近傍に設ける第１ステップと、
該二酸化炭素冷凍回路をブライン循環ライン側に延設し、二酸化炭素冷媒がブラインから蒸発潜熱を吸収する潜熱熱交換を行う第１の熱交換部をブラインと被冷却対象物との間で熱交換を行う第２の熱交換部の近傍まで延設する第２ステップと、
該第１の熱交換部を該フロン冷凍回路から該二酸化炭素冷凍回路に切換え接続する第３ステップと、からなるものである。
【００１５】
本発明の改造方法では、まず第１ステップとして、既設のフロン冷凍回路を構成する機器の近傍に、アンモニア冷媒使用のアンモニア冷凍回路と、該アンモニア冷凍回路とカスケードコンデンサで接続された二酸化炭素冷凍回路からなる２段冷凍回路を設ける。
次に第２ステップとして、該二酸化炭素冷凍回路をブライン循環ライン側に延設し、二酸化炭素冷媒がブラインから蒸発潜熱を吸収する潜熱熱交換を行う第１の熱交換部をブラインと被冷却対象物との間で熱交換を行う第２の熱交換部の近傍に設ける。
次に第３ステップとして、該第１の熱交換部を該フロン冷凍回路から該二酸化炭素冷凍回路に切換え接続する。
【００１６】
かかる手順で改造工事を行うことにより、既設のフロン冷凍回路で冷却運転を行いながら、前記第１ステップ及び第２ステップまで改造工事を進めることができる。そして第１ステップ及び第２ステップまで終えた時点でフロン冷凍回路による冷却運転を停止し、第３ステップで該第１の熱交換部を該フロン冷凍回路から該二酸化炭素冷凍回路に切換え接続するようにすれば、第３ステップ終了後に直ちに冷却運転を開始できる。従って第３ステップを実施する間のみ冷却運転を中止すればよく、改造工事による冷却運転の停止時間を著しく短縮することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の冷却設備によれば、アンモニア冷媒及び二酸化炭素冷媒を用いた冷凍装置で構成されているので、環境に害を及ぼすことがない。また二酸化炭素冷媒とブラインとの熱交換は、潜熱利用の熱交換を行うので、ブラインとの熱交換効率が高く、二酸化炭素冷媒の流量を低減できるので、二酸化炭素冷媒の循環ポンプに要する動力を従来のブライン循環ポンプに比べて大幅に低減できる。
また二酸化炭素冷凍回路をブライン循環ライン側に延設し、ブライン循環ラインを短縮しているので、ブライン量を低減でき、ブラインの循環に要する動力を低減することができる。
【００１８】
また本発明の改造方法によれば、本発明の冷却設備による前記作用効果に加えて、既設のフロン冷凍回路で冷却運転をしながら、アンモニア冷媒及び二酸化炭素冷媒を用いた冷却設備を並設し、改造工事の最終段階でブライン循環ラインを該フロン冷凍回路から自然系冷媒を用いた冷凍回路に切換え接続するようにしているので、改造工事による冷却運転の中断を極力短縮することができる。またブライン循環ライン及びブラインと被冷却対象物とを熱交換する第２の熱交換部は既設の設備を利用するので、大掛りな改造工事を必要としないという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
（実施形態１）
【００２０】
次に本発明の空調設備の第１実施形態を図１に基づいて説明する。図１は本実施形態の全体構成図である。本実施形態の冷却設備は、牛乳その他飲料物の冷却設備、又はビール工場に設けられた冷却設備である。図１において、冷凍装置１は、アンモニア冷媒が循環するＮＨ３循環ライン２で構成される冷凍回路、と二酸化炭素冷媒が循環するＣＯ２循環ライン２１で構成される冷凍回路とからなる。
【００２１】
ＮＨ３循環ライン２は、圧縮機３、凝縮器４、膨張弁５及び蒸発器として機能するカスケードコンデンサ２０で構成される。ＮＨ３循環ライン２では、圧縮機３で圧縮されたアンモニア冷媒は、凝縮器４で凝縮され、膨張弁５を経てカスケードコンデンサ２０でＣＯ２循環ライン２１を流れる二酸化炭素冷媒から蒸発潜熱を奪って蒸発する。
【００２２】
ＣＯ２循環ライン２１は、各種飲料物を冷却する冷却部１０まで延設されており、液化器として機能するカスケードコンデンサ２０、流量調整弁２３及び冷却部１０に設けられた第１の熱交換器２４が介設され、ポンプ２２によって二酸化炭素冷媒が強制循環される。ＣＯ２循環ライン２１では、カスケードコンデンサ２０で冷却されて液化した二酸化炭素冷媒は、ポンプ２２によって送られて流量調整弁２３を通って第１の熱交換器２４で蒸発し、第１の熱交換器２４に接続されたブライン循環ライン９を流れるブラインから蒸発潜熱を奪って該ブラインを冷却する。
【００２３】
ブライン循環ライン９は冷却部１０の内部に配設され、ポンプ８によってブラインが循環される。冷却部１０には飲料物等の被冷却対象物を供給するラインＡ、Ｂ及びＣが導設された第２の熱交換器１２が設けられ、ブライン循環ライン９が分岐ライン１１を介して第２の熱交換器１２に導設され、各種飲料水を冷却している。本実施形態において、第１の熱交換器２４は第２の熱交換器１２の近傍に配置されているので、ブライン循環ライン９は短縮することができる。
【００２４】
本実施形態の冷却設備は、図３に示す従来の冷却設備を改造して製造したものである。この改造方法を以下説明する。まず第１ステップとして、図３に示すＲ−２２冷凍装置０１の近傍にＮＨ３循環ライン２及びＣＯ２循環ライン２１からなる冷凍装置１を併設する。次に第２ステップとして、冷却部１０の内部で第２の熱交換器１２の近傍に第１の熱交換器２４を設け、ＣＯ２循環ライン２１を第１の熱交換器２４まで延設する。なお第１ステップ及び第２ステップが終了するまでは、Ｒ−２２冷凍装置０１を稼動させた冷凍運転を継続する。
【００２５】
次に第３ステップとして、Ｒ−２２冷凍装置０１の蒸発器０６に接続されていたブライン循環ライン０９を取り外し、ブライン循環ライン０９のうち第２の熱交換器１２の近傍に配設されたブライン循環ラインを使って第１の熱交換器２４に接続する。かかるステップによって改造工事が完了する。
【００２６】
かかる構成の第１実施形態において、カスケードコンデンサ２０で冷却された二酸化炭素冷媒は、第１の熱交換器２４でブラインから蒸発潜熱を奪ってブラインを冷却する。第１の熱交換器２４で冷却されたブラインは第２の熱交換器１２で飲料物等の被冷却対象物を冷却する。
【００２７】
第１実施形態によれば、ＣＯ２循環ライン２１が冷却部１０まで延設され、第１の熱交換器２４が第２の熱交換器１２に近傍に配置されているので、ブライン循環ライン９を短縮することができる。従ってブラインの使用量を低減することができる。またＣＯ２循環ライン２１では、第１の熱交換器２４で蒸発してブラインから蒸発潜熱を奪う潜熱利用の熱交換を行っているので、図３の蒸発器０６で相変化をせず顕熱熱交換を行うブラインと比べて熱交換効率が格段に良い。このため二酸化炭素冷媒の循環流量を少なくできるので、二酸化炭素冷媒に循環に要するポンプ動力をブライン循環に要するポンプ動力の約１０％に低減することができる。
【００２８】
ポンプ２２に要する動力に加えてブライン循環ライン９に介設されたポンプ８に要する動力を合計しても従来のポンプ動力の約３０％まで低減できる。
また本実施形態の改造方法によれば、従来のＲ−２２冷凍装置０１を稼動させながら，前記第２のステップまで実施し、前記第３ステップの間だけ冷却運転を中断するだけであるので、冷却運転の中断時間を短縮でき、ラインＡ，Ｂ及びＣから供給される飲料物等の被冷却対象物の冷却工程に支障をきたさない。またブライン循環ライン９及び第２の熱交換器１２は既設の設備を利用するので、大掛かりな改造工事を必要としない。
（実施形態２）
【００２９】
次に本発明の第２実施形態を図２に基づいて説明する。図２において、図１と同一の部位又は機器には同一の符号を付し、これら部位又は機器の説明を省略する。図２において、本実施形態は、冷凍装置１のカスケードコンデンサ２０を冷却部１０に配置された第１の熱交換器２４よりも高所に設置する。そして図１中のＣＯ２循環ライン２１のポンプ２２を撤去し、代わりに受液器３２を介設する。なお受液器３２はカスケードコンデンサ２０より低所に設置し、カスケードコンデンサ２０に対して高度差を設ける。これによってＣＯ２循環ライン２１の内部で二酸化炭素冷媒が自然循環する循環流路を形成する。なおＣＯ２循環ライン２１に自然循環を補助する補助ポンプを介設してもよい。
【００３０】
即ちＣＯ２循環ライン２１では、受液器３２内の気化した二酸化炭素冷媒が上昇してカスケードコンデンサ２０に到達し、カスケードコンデンサ２０で冷却されて液化する。液化した二酸化炭素冷媒は自重により流下して受液器３２に到達する。
また受液器３２と第１の熱交換器２４との間には、二酸化炭素冷媒が自然循環する第２のＣＯ２循環ライン３１が形成される。第１の熱交換器２４は受液器３１より低所に配置される。
【００３１】
即ちＣＯ２循環ライン３１において、受液器３２から自重により流下した液状の二酸化炭素冷媒は、流量調整弁２３を通り、第１の熱交換器２４でブラインから蒸発潜熱を奪う。第１の熱交換器２４で気化した二酸化炭素冷媒は、上昇して受液器３２に戻る。なお本実施形態のその他の構成は前記第１実施形態と同一である。
【００３２】
本実施形態によれば、ＣＯ２循環ライン２１及び３１が二酸化炭素冷媒の自重を利用した自然循環を行う循環流路を形成しているので、二酸化炭素冷媒を循環させるポンプを必要としない。従って前記第１実施形態が奏する作用効果に加えて、該第１実施形態で要するポンプ動力よりもさらにポンプ動力を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、例えばビール工場や飲料物を製造する食品工場等に設置され、フロン系冷媒を用いず、自然系冷媒を用いた冷凍サイクルを構成する冷却設備において、ブライン量の低減とポンプ動力の低減を可能し、また該冷却設備においてフロン系冷媒を用いた冷凍装置から自然系冷媒を用いた冷凍装置に改造する場合に、冷却運転の中断を極力短縮可能な改造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態を示す全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す全体構成図である。
【図３】従来のフロン系冷媒を用いた冷凍装置を備えた冷却設備を示す全体構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    冷凍装置
２    ＮＨ３循環ライン
３    圧縮機
８    ブライン循環ポンプ
９    ブライン循環ライン
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ    第２の熱交換器
２１，３１    ＣＯ２循環ライン
２２    ＣＯ２循環ポンプ
２３    流量調整弁
２４    第１の熱交換器
Ａ、Ｂ、Ｃ    被冷却対象物ライン
【図１】
2008157481.tif 000003
【図２】
2008157481.tif 000004
【図３】
2008157481.tif 000005