(57)【要約】【課題】アンモニアを冷媒として潤滑油の劣化を招くことなく冷蔵庫内を−６０℃以下の超低温に冷却する。【解決手段】冷媒にアンモニアを使用し、少なくとも圧縮機４，７、凝縮器８、過冷却器５，６、膨張弁９、蒸発器３を有する冷凍装置１において、蒸発器３で蒸発を終えた冷媒ガスを冷媒系統が直列に接続された三段以上の圧縮機群で吸入圧縮を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒にアンモニアを使用し、少なくとも圧縮機、凝縮器、過冷却器、膨張弁、蒸発器を有する冷凍装置において、蒸発器で蒸発を終えた冷媒ガスを冷媒系統が直列に接続された三段以上の圧縮機群で吸入圧縮を行うことを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍装置、特に、冷媒にアンモニアを用いた冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、−６０℃を越える超低温冷凍装置としては、Ｒ２２などのＨＣＦＣ系冷媒を使用した二段圧縮冷凍装置が広く採用されている。特に、遠洋鮪漁船においては、凍結魚の鮮度保持のために冷凍室で−６０℃、魚倉で−５５〜−６０℃という超低温を、冷媒としてＲ２２を用いた二段圧縮冷凍装置によって実現している。
【０００３】
また、陸上の超低温冷蔵倉庫においては、冷媒としてＲ７１７／Ｒ２３あるいはＲ２２／Ｒ２３のなどの組み合わせによる二元冷凍装置によって実現している。
【０００４】
しかしながら、近年、オゾン層の破壊など、世界的規模の地球環境への関心の高まりから、ＨＣＦＣ系冷媒はもとより、その代替冷媒であるＨＦＣ系冷媒の使用も地球温暖化への影響が避けられないため、その使用が懸念されている。そのため、わが国においても、ＨＣＦＣ系冷媒については、２０１０年を目標に新規物件の全廃が決定しており、これに代わる冷媒を使用した超低温冷凍装置が要求されている。
【０００５】
一方、過去においては、冷媒としてアンモニアが盛んに用いられており、近年の地球温暖化対策として再び使用され始めている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アンモニアは、他の冷媒と比較して、圧縮工程での温度上昇が大きいという特性がある。例えば、現在の汎用冷媒であるＲ２２が、蒸発温度−１５℃、凝縮温度＋３０℃、圧縮機吐出温度約＋５５℃（単段圧縮の場合）であるのに対し、アンモニアは、蒸発温度−１５℃、凝縮温度＋３０℃、圧縮機吐出温度約＋９８℃（単段圧縮の場合）である。
【０００７】
一方、冷蔵庫内を−６０℃以下に冷却するには、まず、二段圧縮が考えられるが、−６０℃以下の庫内温度を得るには、蒸発温度を−７０℃以下にする必要があること、漁船の場合、熱帯地域で操業することも珍しくなく、その場合の凝縮温度は＋４０℃になること、により、圧縮機における各段の吸入ガスの過熱蒸気の過熱度が＋５℃の場合、圧縮機から吐出された冷媒ガスの温度は約＋１８０℃となる。
【０００８】
すなわち、凝縮温度を＋４０℃、蒸発温度を−７０℃、圧縮機における各段の吸入ガスの過熱蒸気の過熱度を＋５℃とした条件で二段圧縮冷凍装置を運転した場合の断熱圧縮における圧縮過程の温度変化を示す図４のモリエル線図から明らかなように、圧縮後の冷媒ガスの温度は＋１８０℃となる。
【０００９】
冷凍装置においては、圧縮機の潤滑油も冷媒とともに装置内を循環するが、潤滑油は＋１５０℃以上の温度にさらされると変性をおこすため、冷媒としてアンモニアを用いた二段圧縮冷凍装置での超低温運転は不可能である。
【００１０】
また、二元冷凍装置の場合においては、アンモニア／Ｒ２３の組み合わせが考えられるが、Ｒ２３は、常温では非常に圧力が高くなる特性がある。このため、漁船においては、定期メンテナンス時などの操業中以外、冷凍装置を停止させるが、その際の冷媒液温度は＋４０℃以上となり、その際の圧力は５ＭＰａ以上となるため、現実的に搭載不可能である。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、アンモニアを冷媒として潤滑油の劣化を招くことなく冷蔵庫内を−６０℃以下の超低温に冷却することのできる冷凍装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、冷媒にアンモニアを使用し、少なくとも圧縮機、凝縮器、過冷却器、膨張弁、蒸発器を有する冷凍装置において、蒸発器で蒸発を終えた冷媒ガスを冷媒系統が直列に接続された三段以上の圧縮機群で吸入圧縮を行うことを特徴とするものである。
【００１３】
この発明によれば、冷媒系統が直列に接続された三段以上の圧縮機群で吸入圧縮を行うことにより、凝縮温度＋４０℃、蒸発温度−７０℃、圧縮機各段吸入ガスの過熱蒸気の過熱度を＋５℃の条件下で運転した場合、圧縮機吐出ガス温度を潤滑油が劣化しない温度である＋１５０℃以下に保持することができ、潤滑油を劣化させることなく庫内温度を−６０℃以下の超低温に維持することができる。
【００１４】
また、冷媒をアンモニアのみを使用するため、フロン系冷媒と比較して地球環境に及ぼす影響を抑えることができるとともに、これまで通りの圧力容器で対応することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１には、本発明の冷凍装置１の一実施形態が示されている。
【００１７】
この冷凍装置１は、冷蔵庫２と、冷蔵庫２に設けられて庫内を冷却する蒸発器３と、蒸発器３から戻ってきた冷媒ガス（アンモニアガス）を最初に圧縮する二段圧縮機４と、二段圧縮機４の低段吐出ガスを冷却する過冷却器としての液ガスクーラー５と、二段圧縮機４の高段吐出ガスを冷却する過冷却器としての液ガスクーラー６と、二段圧縮機４の高段吐出ガスを再び圧縮する単段圧縮機７と、単段圧縮機７の吐出ガスを冷却する凝縮器８と、凝縮された冷媒液（アンモニア液）を膨張させて蒸発器３を冷却する膨張弁９と、から主に構成されている。
【００１８】
そして、蒸発器３から二段圧縮機４に戻る冷媒ガスから冷媒液を分離する液分離器１０が蒸発器３と二段圧縮機４とを接続する配管に設けられている他、二段圧縮機４の高段吐出ガスから潤滑油を分離する油分離器１１が二段圧縮機４の高段吐出ガス吐出口と液ガスクーラー６とを接続する配管に設けられ、また、単段圧縮機７の吐出ガスから潤滑油を分離する油分離器１２が単段圧縮機７の吐出ガス吐出口と凝縮器８とを接続する配管に設けられている。さらに、凝縮器８と液ガスクーラー６とを接続する配管には、凝縮器８によって凝縮された冷媒液を貯留する受液器１３が配設されている。
【００１９】
なお、凝縮器８には、クーリングタワー１４によって冷却された冷却水が冷却水ポンプ１５を介して供給されている。また、二段圧縮機４の液ガスクーラー５を冷却するため、受液器１３と液ガスクーラー６とを接続する配管から分岐して液ガスクーラー６との間に接続された分岐配管には、冷媒液を膨張させる膨張弁１６が配設されている。また、単段圧縮機７の液ガスクーラー６を冷却するため、液ガスクーラー５，６を接続する配管から分岐して液ガスクーラー５との間に接続された分岐配管には、冷媒液を膨張させる膨張弁１７が配設されている。
【００２０】
次に、このように構成された冷凍装置１の作動について説明する。
【００２１】
まず、冷媒としてのアンモニアは、二段圧縮機４の第一段の圧縮機構および第二段の圧縮機構により二回圧縮された後、単段圧縮機７の圧縮機構により三回目の圧縮が行われ、高温高圧の冷媒ガスとなって吐出される。
【００２２】
この際、二段圧縮機４の高段吐出ガスは油分離器１１に供給され、油分離器１１によって冷媒ガスと潤滑油に分離され、また、単段圧縮機７の吐出ガスは油分離器１２に供給され、油分離器１２によって冷媒ガスと潤滑油に分離される。
【００２３】
この後、潤滑油が分離された冷媒ガスは、凝縮器８に供給され、凝縮器８によって凝縮され、高圧の冷媒液となって受液器１３を経て液ガスクーラー６に供給される。次いで、液ガスクーラー６に供給された冷媒液は、液ガスクーラー６によって過冷却されて液温が下げられた後、液ガスクーラー５に供給され、液ガスクーラー５によってさらに過冷却される。
【００２４】
一方、凝縮器８によって凝縮された冷媒液の一部は、分岐管に配設された膨張弁１６によって湿りガスとなり、二段圧縮機４の高段吐出ガスと混合され、高段吐出ガスを冷却してから単段圧縮機７の圧縮機構に吸入されて圧縮される。また、液ガスクーラー５に供給された冷媒液の一部は、分岐管に配設された膨張弁１７によって湿りガスとなり、二段圧縮機４の低段吐出ガスと混合され、低段吐出ガスを冷却してから二段圧縮機４の第二段の圧縮機構に吸入されて圧縮される。
【００２５】
次いで、液ガスクーラー５によって過冷却された冷媒液は、膨張弁９に流入し、膨張弁９によって湿りガスとなり、蒸発器３に送られ、蒸発器３内で蒸発して冷却作用を行った後、冷媒ガスとして二段圧縮機４の第一段の圧縮機構に吸入され、再び第一段の圧縮機構によって圧縮される。
【００２６】
なお、蒸発器３によって蒸発された冷媒ガスは、二段圧縮機４に吸入される前段階において、液分離器１０によって冷媒液が分離される。
【００２７】
このような冷凍装置１において、凝縮温度を＋４０℃、蒸発温度を−７０℃、圧縮機４，７における各段の吸入ガスの過熱蒸気の過熱度を＋５℃とした場合の断熱圧縮における圧縮過程の温度変化を図２のモリエル線図に示す。図２のモリエル線図から明らかなように、圧縮後の冷媒ガスの温度は、＋１５０℃以下となる。
【００２８】
この結果、圧縮後の冷媒ガスの温度が＋１５０℃以下となることにより、冷媒とともに装置内を循環する潤滑油は変成することがなく、冷媒にアンモニアを用いて−６０℃以下の超低温を潤滑油の劣化を招来することなく得ることができる。
【００２９】
さらに、通常漁船に搭載されている二段圧縮機に単段圧縮機を増設するとともに、冷媒をフロン系からアンモニアに代えることにより、−６０℃以上の超低温を得ることができるため、簡単に対応することができる。また、冷媒をアンモニアのみを使用するため、これまで通りの圧力容器で対応することが可能となることから、設備投資を最小限度に抑えることができる。
【００３０】
なお、図１に示した冷凍装置１を運転した場合の圧縮後の冷媒ガスの温度変化を図３に示す。
【００３１】
この図３から明らかなように、凝縮温度＋４０℃、蒸発温度−７０℃での実際の運転においても、冷媒ガスの温度は、＋９０℃以下で安定しており、潤滑油の劣化がない状態で−６０℃以下の冷蔵庫内温度が得られた。
【００３２】
【発明の効果】
このように本発明によれば、アンモニアを冷媒として潤滑油の劣化を招くことなく冷蔵庫内を−６０℃以下の超低温に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷凍装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の冷凍装置における圧縮工程の温度変化を示すモリエル線図である。
【図３】図１の冷凍装置を運転した場合の冷媒ガスの温度変化を冷蔵庫内温度とともに示すグラフである。
【図４】従来の二段圧縮冷凍装置における圧縮工程の温度変化を示すモリエル線図である。
【符号の説明】
１    冷凍装置
２    冷蔵庫
３    蒸発器
４    二段圧縮機
５，６  液ガスクーラー
７  単段圧縮機
８  凝縮器
９，１６，１７  膨張弁
１０  液分離機
１１，１２  油分離器
１３  受液器
【図１】
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【図２】
2004333009.tif 000004
【図３】
2004333009.tif 000005
【図４】
2004333009.tif 000006