(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気冷媒を圧縮する圧縮機構と、
前記圧縮機構から送り出された前記空気冷媒により第１対象物を加熱する加熱器と、
前記加熱器から送り出された前記空気冷媒を冷却する熱交換器と、
前記熱交換器から送り出された前記空気冷媒を膨張させるタービンと、
前記タービンから送り出された前記空気冷媒により前記第１対象物と異なる第２対象物を冷却する冷却庫と、
前記加熱器から送出された前記空気冷媒の熱を回収して前記圧縮機構と前記加熱器との間を流れる前記空気冷媒を加熱する熱回収器
とを具備する
空気冷媒式冷凍加熱装置。
【請求項２】
請求項１に記載された空気冷媒式冷凍加熱装置であって、
前記圧縮機構は単一のコンプレッサからなる
空気冷媒式冷凍加熱装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された空気冷媒式冷凍加熱装置であって、
更に、前記熱回収器の後段側、かつ前記熱交換器の前段側を流れる前記空気冷媒により対象物の加熱を行う第２加熱器
を具備する
空気冷媒式冷凍加熱装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載された空気冷媒式冷凍加熱装置であって、
更に、前記加熱器に流入する前記空気冷媒を加熱するヒータ
を具備する
空気冷媒式冷凍加熱装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載された空気冷媒式冷凍加熱装置であって、
前記加熱器はオーブンである
空気冷媒式冷凍加熱装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載された空気冷媒式冷凍加熱装置と、
前記空気冷媒と異なる冷媒を吸収する吸収剤が充填され、前記圧縮機構から送り出された前記空気冷媒を用いて前記吸収剤に混合している前記冷媒を加熱して気化させる再生器と、
前記再生器において気化した前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器において凝縮した前記冷媒を気化させ、気化熱により第３対象物を冷却する蒸発器と、
前記再生器から送出された前記吸収剤に前記蒸発器において気化した前記冷媒を吸収させて前記再生器に送出する吸収器
とを具備する
冷却加熱システム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載された空気冷媒式冷凍加熱装置であって、
前記圧縮機構は前記タービンと同軸に回転するコンプレッサであり、
前記冷却庫から取り込まれた前記空気冷媒は前記熱交換器の低温側流路に供給され、前記低温側流路から送出された前記空気冷媒は前記コンプレッサに直接、供給される
空気冷媒式冷凍加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気冷媒式の冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のフロンを冷媒とした冷却装置に変えて、近年では空気を冷媒とした冷却装置が開発されている。
特開平１１−１３２５８２号公報には、空気の経路に、圧縮機、空気冷却器、空気対空気熱交換器および膨張機を空気の流れの順に配置し、要冷却室内の空気を前記の空気対空気熱交換器を経て該圧縮機に取入れ、該膨張機を出た空気を該要冷却室内に吹き出すようにした空気冷媒式冷凍装置において、該膨張機を出た空気の一部または全部を要冷却室を迂回して該空気対空気熱交換器に戻すための弁介装の第１のバイパス路と、圧縮機を出て膨張機に入る前の空気路から０℃以上の空気を取入れ、これを空気対空気熱交換器の入口側空気路に供給するための弁介装の温風バイパス路を設けたことを特徴とする空気冷媒式冷凍装置が開示されている。
【発明の開示】
【０００３】
本発明の目的は、空気冷媒の熱サイクルにより高い効率で熱を供給する装置を提供することである。
本発明の他の目的は、空気冷媒の熱サイクルにより冷却と加熱とを同時に行う装置を提供することである。
【０００４】
本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置は、空気冷媒を圧縮する圧縮機構と、圧縮機構から送り出された空気冷媒により対象物を加熱する加熱器と、加熱器から送り出された空気冷媒を冷却する熱交換器と、熱交換器から送り出された空気冷媒を膨張させるタービンと、タービンから送り出された空気冷媒により対象物を冷却する冷却器とを備える。
【０００５】
本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置において、圧縮機構は単一のコンプレッサからなる。
【０００６】
本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置において、圧縮機構はタービンと同軸に回転するコンプレッサである。冷却器から取り込まれた空気冷媒は熱交換器の低温側流路に供給され、低温側流路から送出された空気冷媒はコンプレッサに直接、供給される。
【０００７】
本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置において、圧縮機構は、補助コンプレッサと、補助コンプレッサによって昇圧された空気冷媒を更に昇圧する主コンプレッサとを備える。
【０００８】
本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置は、加熱器から送出された空気冷媒の熱を回収して圧縮機構と加熱器との間を流れる空気冷媒を加熱する熱回収器を備える。
【０００９】
本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置は、熱回収器の後段側、かつ熱交換器の前段側を流れる空気冷媒により対象物の加熱を行う第２加熱器を備える。
【００１０】
本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置は、加熱器に流入する空気冷媒を加熱するヒータを備える。
【００１１】
本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置において、加熱器はオーブンである。
【００１２】
本発明による冷却加熱システムは、本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置と、空気冷媒と異なる冷媒を吸収する吸収剤が充填され、圧縮機構から送り出された空気冷媒を用いて吸収剤に混合している冷媒を加熱して気化させる再生器と、再生器において気化した冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器において凝縮した冷媒を気化させ、気化熱により第３対象物を冷却する蒸発器と、再生器から送出された吸収剤に蒸発器において気化した冷媒を吸収させて再生器に送出する吸収器とを備えている。
【００１３】
本発明によれば、空気冷媒の熱サイクルにより高い効率で熱を供給する装置が提供される。
本発明によれば、空気冷媒の熱サイクルにより冷却と加熱とを同時に行う装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の第１形態における空気冷媒式冷凍加熱装置の構成を示す。
【図２】図２は、空気冷媒式冷凍加熱装置に結合される吸収冷凍機の構成を示す。
【図３】図３は、本発明の実施の第２形態における空気冷媒式冷凍加熱装置の構成を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施の第１形態）
以下、図面を参照して本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本実施の形態における空気冷媒式冷凍加熱装置の構成を示している。【００１６】
空気冷媒式冷凍加熱装置は、コンプレッサ２を備えている。コンプレッサ２は、モータ４により駆動される。モータ４は、２１０００ｒｐｍ程度の回転数で回転する同期モータであり、動力は８５ｋｗである。【００１７】
コンプレッサ２の入口側（上流側）には空気配管２８が接続されている。コンプレッサ２の出口側（下流側）は空気配管３を介して熱交換器３０の空気通路２９に接続されている。熱交換器３０は空気通路２９の空気と熱交換を行うための熱媒体が流される通路４２を備えている。熱媒体は、加圧した水などの液体であることが好ましい。【００１８】
空気通路２９の出口側に接続された空気配管はヒータ３２に導入される。ヒータ３２の電力は４６ｋＷである。ヒータ３２の下流側において空気配管はオーブン３４に導入される。オーブンはパン、クッキー等の被加熱対象物が入れられる焼き室を備えている。空気配管の出口は、焼き室に開口している。オーブン３４の出口側に接続された空気配管は、熱交換器３６の空気通路３５に接続されている。熱交換器３６は空気通路３５の空気と熱交換を行うための熱媒体が流される通路４４を備えている。通路４４はポンプ３８を介して通路４２と接続されている。【００１９】
空気通路３５の出口側は空気配管３７を介して熱交換器８に接続されている。熱交換器８は空気配管３７の内部の空気と熱交換を行うための熱媒体が流される配管９を備えている。配管９は図示しない冷却塔に接続されている。配管９には、熱交換器８と冷却塔との間に水を循環させるための循環ポンプ１２が接続されている。【００２０】
水冷式熱交換器８の空気側の通路の出口側は配管１３に接続されている。配管１３は、排熱回収熱交換器１４の高温側の通路を介して、膨張タービン１６の入口側に接続されている。膨張タービン１６はコンプレッサ２と同軸にモータ４のシャフトに接続されている。【００２１】
膨張タービン１６の出口側の配管は霜を取り除くための除霜器１８に接続されている。除霜器１８の出口側の配管は、フリーザー入口配管２１に接続されている。フリーザー入口配管２１はフリーザー２２に接続され、フリーザー２２の内部の冷却対象物が収納される冷却室に開口している。フリーザー２２は、開閉可能な扉を有し、扉を閉じることにより密閉された冷却室を内部に形成する倉庫である。【００２２】
フリーザー２２は冷却室から冷媒空気を取り込む配管２６に接続されている。配管２６は、排熱回収熱交換器１４の低温側の通路を介して、空気配管２８に接続されている。【００２３】
以上の構成を備えた空気冷媒式冷却装置１は、以下のように動作する。【００２４】
（フリーザーの使用）
循環ポンプ１２が駆動され、水配管９に水が流される。モータ４が起動され、コンプレッサ２と膨張タービン１６とが駆動される。コンプレッサ２は、配管２８の冷媒空気を吸引して圧縮する。圧縮されて高温高圧となった冷媒空気は、空気配管３に吐出される。空気配管３の内部の冷媒空気は、ヒータ３２、オーブン３４、熱交換器３６を介して熱交換器８に流入する。冷媒空気は熱交換器８において水配管９を循環する水と熱交換することにより冷却される。【００２５】
水冷式熱交換器８を出た冷媒空気は配管１３に流入する。配管１３を流れる冷媒空気は、排熱回収熱交換器１４の高温側通路において、配管２６から低温側通路に流入する冷媒空気と熱交換をすることにより更に冷却される。【００２６】
排熱回収熱交換器１４により冷却された冷媒空気は、排熱回収交換器１４の出口側の配管を通って膨張タービン１６に入る。冷媒空気は、膨張タービン１６において断熱膨張することによって更に冷却される。【００２７】
膨張タービン１６から出た冷媒空気は除霜器１８において湿分を除去される。除霜器１８から出た冷媒空気はフリーザー２２の冷却室の内部に供給され、冷却室は冷却される。冷却室の内部の空気は配管２６に流入する。配管２６を流れる冷媒空気は、排熱回収熱交換器１４の低温側通路において、排熱回収熱交換器１４の高温側通路を流れる冷媒空気と熱交換して加熱される。加熱された冷媒空気は、配管２８を通ってコンプレッサ２に流入する。【００２８】
（オーブンの使用）
ポンプ３８が駆動され、通路４２と通路４４とを熱媒体が循環する。ヒータ３２のスイッチが入れられる。【００２９】
通路４４を流れる熱媒体は、空気通路３５を流れる空気媒体と熱交換を行うことにより加熱される。加熱された熱媒体は、通路４２に流入する。空気通路２９を流れる空気は、通路４２の熱媒体と熱交換を行うことにより加熱される。【００３０】
空気通路２９において加熱された空気は、ヒータ３２においてさらに加熱される。加熱された空気はオーブン３４の焼き室に導入される。オーブン３４の内部は空気により加熱される。オーブン３４から出た空気は空気通路３５を通り空気配管３７に流入する。これより下流側における冷媒空気の流れは、ポンプ３８とヒータ３２が作動されないときの説明と同じである。【００３１】
ポンプ３８とヒータ３２が作動された後に定常運転に達したとき、各部の温度は次のようになる。コンプレッサ２の出口側の空気冷媒の温度は１１４℃。熱交換器３０の出口側の空気冷媒の温度は１９０℃。ヒータ３２の出口側の空気冷媒の温度は２２０℃。オーブン３４の出口側の空気冷媒の温度は２００℃。熱交換器３６の出口側の空気冷媒の温度は１２４℃。フリーザー２２の入口側の空気冷媒の温度は−８５℃。オーブン３４の加熱能力は３１ｋＷである。【００３２】
（用途）
オーブン３４の内部は２２０℃程度である。こうしたオーブン３４により、パン、クッキーなどのベーキングを行うことができる。本実施の形態による空気冷媒式冷凍加熱装置は、フリーザー２２により冷凍食品を製造することができるため、冷凍食品の製造とパン、クッキー等の焼き物の製造とを共に行う食品工場において特に好適に用いられる。【００３３】
本実施の形態における空気冷媒式冷凍加熱装置の効率は、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、成績係数）を用いて次のように評価できる。
総合ＣＯＰ＝（フリーザ冷凍能力（Ｑ１）＋ヒータ加熱能力（Ｑ２））／（タービンユニット動力（Ｑ３）＋ヒータ入力（Ｑ４））
ここで、Ｍを空気流量（１．５４ｋｇ／ｓ）、Ｈ６０をフリーザー出口の絶対温度２７３−６０＝２１３Ｋ、Ｈ８５をフリーザー入口の絶対温度２７３−８５＝１８８Ｋとして、
Ｑ１＝Ｍ×（Ｈ６０−Ｈ８５）＝１．５４（ｋｇ／ｓ）×（２１３−１８８）（ｋＪ／ｋｇ）＝３８ｋＪ／ｓ＝３８ｋＷ
Ｑ２＝３１ｋＷ
Ｑ３＝８５ｋＷ
Ｑ４＝４６ｋＷ
従って、
総合ＣＯＰ＝（３８＋３１）／（８５＋４６）＝０．５３
これに対して、冷凍無し、ベーキングのみの場合のＣＯＰは、Ｈ２２０＝空気加熱後温度、Ｈ３５＝空気加熱前温度として、
Ｑ２／（Ｍ×（Ｈ２２０−Ｈ３５））＝３１／（１．５４×（４９３−３０８））＝０．１１
ベーキング無し、冷凍のみの場合のＣＯＰは、
Ｑ１／Ｑ３＝３８／８５＝０．４４
このように、本実施の形態による空気冷媒式冷凍加熱装置は、冷凍のみ又はベーキングのみに使用する場合に比べて、冷凍とベーキングの両方に使用した場合に大幅に効率が向上する。【００３４】
空気は物性値上、圧縮比が小さくても（圧力比：２）、１２０℃程度の高温空気が得られる。それに対して、圧力比２としてフロン冷媒は６０℃から７０℃程度、アンモニア冷媒は７０℃から８０℃程度まで昇温される。そのため、ベーキングに使用するためには、空気冷媒を用いた装置の方が高い効率を得やすい。【００３５】
空気冷媒式の冷凍機において、空気圧縮用のコンプレッサを２段接続し、本実施の形態におけるモータよりも低速回転（数千ｒｐｍ）のモータを使用するものが知られている。こうした２段圧縮式の冷凍機においては、コンプレッサの出口における空気冷媒の温度は、６０℃から７０℃程度であり、本実施の形態における単一のコンプレッサを用いたものよりも低い。そのため、ベーキングに使用する温度まで空気冷媒を昇温させた場合、単一のコンプレッサを用いるタイプの方がより高い効率（ＣＯＰ）が達成される。【００３６】
本実施の形態における空気冷媒式冷凍加熱装置は、コンプレッサ２の出口温度が１１４℃であり、大気圧での水の沸点１００℃よりも高い。そのため、この熱を利用する用途は多い。さらに、パン、クッキー等を焼く温度まで昇温するために必要とされる外部の熱源の出力が小さく済み、効率が高い。【００３７】
本実施の形態において、熱交換器３０から送出される１９０℃の空気冷媒、ヒータ３２で加熱されることにより得られる２２０℃の空気冷媒、あるいは熱交換器３６から流出した１２４℃の空気冷媒は、様々な用途に用いることができる。例えば、乾燥機、熱殺菌装置、床暖房又はラジエータ等による空調に好適に用いられる。【００３８】
更に、本発明による空気冷媒式冷凍加熱装置は、吸収冷凍機と結合して用いることで、全体として高い効率を達成することができる。図２に吸収冷凍機の構成を示す。吸収冷凍機１００は、再生器１０１、凝縮器１０２、蒸発器１０３、吸収器１０４、熱交換器１０５の各熱交換器と、溶液ポンプ１０６、冷媒ポンプ１０７、制御弁１０８から構成されている。【００３９】
再生器１０１は、熱源１１０から供給される熱により冷媒溶液を加熱し冷媒成分を気化させて冷媒蒸気を発生させるために設けられている。この熱源１１０として、図１に示された熱交換器３０から送出される１９０℃の空気冷媒、ヒータ３２で加熱されることにより得られる２２０℃の空気冷媒、あるいは熱交換器３６から流出した１２４℃の空気冷媒の熱が使用される。【００４０】
凝縮器１０２は、再生器１０１において発生する冷媒蒸気を凝縮して冷媒液とするために設けられている。蒸発器１０３は、凝縮器１０２において生成される冷媒液と管路１０９を流れる冷水との間で熱交換を行わせ冷水を所定の温度に冷却するとともに冷媒液を気化させて冷媒蒸気とするために設けられている。吸収器１０４は、蒸発器１０３において生成される冷媒蒸気を再生器１０１において冷媒成分の気化後に残る溶液に吸収させて冷媒溶液とするために設けられている。熱交換器１０５は、吸収器１０４において生成される冷媒溶液と冷媒成分の気化後に残る溶液との間で熱交換を行うために設けられている。溶液ポンプ１０６は、再生器１０１と吸収器１０４との間で冷媒溶液を循環させるために設けられている。制御弁１０８は、再生器１０１に対して供給される熱源の流入量を制御するために設けられている。【００４１】
吸収冷凍機１００の主目的は蒸発器１０３内の冷媒液の蒸発熱を利用して管路１０９を流れる冷水を所定の温度に冷却することである。空気冷媒式冷凍加熱装置と吸収冷凍機１００とを結合して用いることにより、効率が高く、多様な温度の熱源として利用できる冷却加熱システムが提供される。【００４２】
（実施の第２形態）
図３に、実施の第２形態における空気冷媒冷熱システムの構成を示す。【００４３】
本実施の形態における空気冷媒冷熱システム８００は、補助コンプレッサ８０２、モータ８０４、補助冷却器８０６、主コンプレッサ８２２、第１熱交換器８２０、第２熱交換器８３０、膨張タービン８３２及び冷却庫８４０を含む。補助コンプレッサ８０２はモータ８０４により駆動される。補助コンプレッサ８０２の出口側は配管を介して補助冷却器８０６に接続される。補助冷却器８０６の出口側は配管を介して主コンプレッサ８２２に接続される。主コンプレッサ８２２は膨張タービン８３２と同軸に接続される。【００４４】
主コンプレッサ８２２の出口側は配管を介して冷却器８２０の高温側配管８２４に接続されている。冷却器８２０の高温側配管８２４の出口側は熱交換器８３０の高温側通路に接続されている。熱交換器８３０の高温側通路の出口側は膨張タービン８３２に接続されている。膨張タービン８３２の出口側は冷却庫８４０の空気吹出口８０５に接続されている。冷却庫８４０は空気取入口８０３を備え、空気取入口８０３は配管を介して熱交換器８３０の低温側通路に接続されている。熱交換器８３０の低温側通路の出口側は補助コンプレッサ８０２に接続されている。【００４５】
次に、本実施の形態の空気冷媒式冷却装置８００の動作原理を説明する。【００４６】
モータ８０４が駆動され、補助コンプレッサ８０２が回転する。補助コンプレッサ８０２は冷媒空気を吐出する。補助冷却器８０６が起動される。補助コンプレッサ８０２から吐出された冷媒空気は補助冷却器８０６で冷却され、主コンプレッサ８２２に送出される。主コンプレッサ８２２に冷媒空気が流入し、主コンプレッサ８２２と膨張タービン８３２とが回転する。主コンプレッサ８２２から吐出された冷媒空気の温度は概ね６０℃から７０℃程度である。この冷媒空気は第１熱交換器８２０で冷却される。第１熱交換器８２０から出た冷媒空気は第２熱交換器８３０でさらに冷却される。第２熱交換器８３０から出た冷媒空気は膨張タービン８３２においてさらに冷却され、空気吹出口８０５から冷却庫８４０に供給される。冷却庫８４０の内部の空気８４０は空気取入口８０３から取り入れられ、第２熱交換器８３０の低温側配管を介して補助コンプレッサ８０２に供給される。【００４７】
熱交換器８２０において、低温側配管８２５を流れる水などの熱媒体は、高温側配管８２４に供給される６０℃から７０℃程度の冷媒空気の熱により加熱される。加熱された熱媒体は、床暖房、温水の供給などに使用される。熱交換器８２０の低温側配管８２５から出た熱媒体を加熱するヒータを用いれば、より高温の熱媒体を必要とする用途にも使用することができる。
【図１】
0004468379.tif 000002
【図２】
0004468379.tif 000003
【図３】
0004468379.tif 000004