(57)【要約】【課題】  断熱膨張に伴い発生する雪による冷凍能力低下を防止でき、設置空間が狭いコンテナ用冷凍ユニット等への装着が容易な空気サイクル冷凍装置を提供する。【解決手段】  この空気サイクル冷凍装置は、流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させるものである。前記空気膨張機の出口部１ｂに、流入する気体を内壁面に沿って旋回させて気液分離を行う装置本体１２を有するサイクロン型気液分離装置９を設ける。【選択図】      図２
2009222277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させる空気サイクル冷凍装置において、
流入する気体を内壁面に沿って旋回させて気液分離を行う装置本体を有するサイクロン型気液分離装置を、前記空気膨張機の出口部に設けたことを特徴とする空気サイクル冷凍装置。
【請求項２】
請求項１において、前記空気膨張機の出口部が空気吹き出し管からなり、この空気吹き出し管を、その軸線が前記サイクロン型気液分離装置の装置本体の軸心から偏心した位置となるように配置した空気サイクル冷凍装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記サイクロン型気液分離装置の装置本体の内壁面に、親水処理を施した１０〜２０メッシュの金網を設けた空気サイクル冷凍装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記サイクロン型気液分離装置の装置本体を、水平面に対して５〜９０度の傾斜姿勢で設置した空気サイクル冷凍装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記サイクロン型気液分離装置の装置本体がアルミ合金製で、その外周部にヒータを設けた空気サイクル冷凍装置。
【請求項６】
請求項４において、前記サイクロン型気液分離装置の装置本体の下端周縁に内側に折り返された捕水用フランジを設け、このフランジの一部に排水口を設けた空気サイクル冷凍装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記被冷却部が冷凍コンテナである空気サイクル冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷媒として空気が用いられ、冷凍倉庫やコンテナ用冷凍ユニット等に利用される空気サイクル冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気サイクル冷凍冷却システムは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンの省略等によってトータルコストを引下げられる可能性があり、このような用途で空気サイクル冷凍冷却システムが提案されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
また、−３０℃〜−６０℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、始めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、圧縮機や膨張タービン等である。
圧縮機，膨張タービンとしては、コンプレッサ翼車および膨張タービン翼車を共通の主軸に取付けたタービンユニットが用いられている（特許文献１）。
【０００４】
このような空気サイクル冷凍冷却システムにおいては、圧縮空気を断熱膨張させる際に、空気中の水分が凝縮して雪が発生する。雪は発生時に凝縮熱を放出するため、膨張時の温度降下分が減少する。また、雪はタービンユニットから冷凍庫への管路内に堆積し、空気流量を減らして冷凍能力の低下を起こすこともある。そのため、従来の空気サイクル冷凍冷却システムにおいては、捕雪器を設けている（特許文献２）。
【特許文献１】特許第２６２３２０２号公報
【特許文献２】特開２００３−２７９１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に開示の空気サイクル冷凍冷却システムにおける捕雪器では、冷媒空気をメッシュフィルタに通すことで雪を付着させて捕捉しているが、捕捉された雪が流路抵抗となって圧損を増すことになる。この場合の圧損を減らすには、装置自体を大型化する必要があるが、それでは設置空間が狭いコンテナ用冷凍ユニットへの装着は困難である。
【０００６】
この発明の目的は、簡単な構成で被冷却部内の除湿ができ、空気膨張機の効率向上と空気膨張機の出口部での雪の堆積による流路閉塞を防止できる空気サイクル冷凍装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の空気サイクル冷凍装置は、流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させる空気サイクル冷凍装置において、流入する気体を内壁面に沿って旋回させて気液分離を行う装置本体を有するサイクロン型気液分離装置を、前記空気膨張機の出口部に設けたことを特徴とする。
前記サイクロン型気液分離装置は前記被冷却部内に配置され、空気膨張機の出口部から噴出する冷却空気はサイクロン型気液分離装置の装置本体内を旋回してから被冷却部に供給される。被冷却部内の温度が常温からの初期冷却においては、空気膨張機の出口部の温度は水の凝固点以上であるため、前記出口部から噴出する冷却空気中の水分は液化している。このとき、サイクロン型気液分離装置の装置本体内において発生する旋回流により、冷却空気中の水分が装置本体の内壁面に押し付けられて空気と分離し、被冷却部の外部に排水される。これにより、簡単な構成で被冷却部内の除湿ができ、空気膨張機の効率低下を防止できる。
空気膨張機の出口部の温度が凝固点以下になった場合、冷却空気中の水分は雪となり、サイクロン型気液分離装置の装置本体の内壁面に堆積する。このまま運転を続けると流路閉塞するため、一定時間ごとに、タービンユニットの回転を低速にして前記出口部の温度を凝固点以上にし、堆積した雪を溶かして液化させる。この後、再びタービニュニットを定格回転数まで加速する間の気流で、液化した水分を排水する。これにより、空気膨張機の出口部での雪の堆積による流路閉塞を防止できる。
【０００８】
この発明において、前記空気膨張機の出口部が空気吹き出し管からなり、この空気吹き出し管を、その軸線が前記サイクロン型気液分離装置の装置本体の軸心から偏心した位置となるように配置しても良い。この構成の場合、空気膨張機の出口部から噴出した冷却空気を装置本体の内壁面に沿って確実に旋回させることができ、冷却空気に含まれる水分を遠心力で装置本体の内壁面に分離させることができる。
【０００９】
この発明において、前記サイクロン型気液分離装置の装置本体の内壁面に、親水処理を施した１０〜２０メッシュの金網を設けても良い。この構成の場合、分離された水分が装置本体の内壁面でより一層捕捉しやすくなる。
【００１０】
この発明において、前記サイクロン型気液分離装置の装置本体を、水平面に対して５〜９０度の傾斜姿勢で設置しても良い。この構成の場合、冷却空気から分離された水を装置本体の内壁面に沿って排水させることができる。
【００１１】
この発明において、前記サイクロン型気液分離装置の装置本体がアルミ合金製で、その外周部にヒータを設けても良い。
被冷却部内が凝固点以下となるまで冷却が進むと、タービンユニットの回転を低速にするだけでは、前記装置本体の内壁面に堆積した雪を溶かすことは難しい。この場合、タービンユニットの回転を低速にすると同時に、サイクロン型気液分離装置のアルミ合金製とした装置本体の外周部に設けたヒータに通電することで、装置本体の内壁面に堆積した雪を溶かして確実に液化させることができる。
【００１２】
この発明において、前記サイクロン型気液分離装置の装置本体の下端周縁に内側に折り返された捕水用フランジを設け、このフランジの一部に排水口を設けても良い。この構成の場合、装置本体の内壁面に沿って下端側に流れてきた水を捕水用フランジに溜めて、排水口から被冷却部の外部に排出させることができる。
【００１３】
この発明において、前記被冷却部が冷凍コンテナであっても良い。
この空気サイクル冷凍装置では、空気膨張機の出口部にサイクロン型気液分離装置を設けるだけの簡単な構成で被冷却部内の除湿ができ、空気膨張機の効率向上と空気膨張機の出口部での雪の堆積による流路閉塞を防止できるので、設置空間が狭いコンテナ用冷凍ユニット等への装着も容易となる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の空気サイクル冷凍装置は、流入空気に対して、空気圧縮機および空気膨張機を有するタービンユニットの前記空気圧縮機による圧縮、他の熱交換器による冷却、前記タービンユニットの前記空気膨張機による断熱膨張を順次行なった空気を被冷却部に供給し、被冷却部からの戻り空気を前記流入空気として前記空気圧縮機に循環させる空気サイクル冷凍装置において、流入する気体を内壁面に沿って旋回させて気液分離を行う装置本体を有するサイクロン型気液分離装置を、前記空気膨張機の出口部に設けたため、簡単な構成で被冷却部内の除湿ができ、空気膨張機の効率向上と空気膨張機の出口部での雪の堆積による流路閉塞を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１は、この実施形態の空気サイクル冷凍装置の全体の構成を示す。この空気サイクル冷凍装置は、被冷却部１０の空気を直接に冷媒として冷却する装置であり、被冷却部１０にそれぞれ開口した空気の取入部１ａから出口部１ｂに至る空気循環経路１を有している。この空気循環経路１に、空気サイクル冷凍用タービンユニット５の空気圧縮機６、放熱用熱交換器２、熱回収用熱交換器３、および前記タービンユニット５の空気膨張機７が順に設けられている。ここでは、前記被冷却部１０として冷凍コンテナが用いられる。
【００１６】
タービンユニット５の空気圧縮機６は、被冷却部１０からの戻り空気であって前記熱回収用熱交換器３を経て流入する空気を圧縮する。放熱用熱交換器２は、前記空気圧縮機６で圧縮されて高圧・高温となった空気が流れる空気経路１ｄと、送風機などから供給される外部冷媒である冷却空気の空気経路８との間で熱交換を行なって、空気圧縮機６により圧縮された空気を１次冷却する。熱回収用熱交換器３は、前記放熱用熱交換器２と空気膨張機７の間の空気経路１ｅと、被冷却部１０と空気圧縮機６の間の空気経路１ｃとの間で熱交換を行なって、空気膨張機７に入る前の圧縮空気を２次冷却する。タービンユニット５の空気膨張機７は、前記熱回収用熱交換器３で２次冷却された圧縮空気を断熱膨張させることで、さらに冷却して被冷却部１０に供給する。つまり、前記空気循環経路１の出口部１ｂは、空気膨張機７の出口部のことである。この出口部１ｂには、サイクロン型気液分離装置９が設けられる。サイクロン型気液分離装置９は、出口部１ｂと被冷却部１０との間に配置される。
【００１７】
この空気サイクル冷凍装置は、被冷却部１０を０℃〜−６０℃程度に保つ装置であり、被冷却部１０から空気循環経路１の取入部１ａに圧力０．１Ｍｐａで０℃〜−６０℃程度の空気が流入する。なお、以下に示す温度および圧力の数値は、一応の目安となる一例である。取入部１ａに流入した空気は、熱回収用熱交換器３での滅交換により空気循環経路１中の後段の空気の冷却に使用され、３０℃まで昇温する。この昇温した空気は圧力０．１Ｍｐａのままタービンユニット５の空気圧縮機６に流入して、ここで圧力０．１８Ｍｐａに圧縮させられ、その圧縮により１１０℃まで昇温する。この圧縮空気は、放熱用熱交換器２により４０℃に１次冷却される。
【００１８】
放熱用熱交換器２で１次冷却された４０℃の圧縮空気は、熱回収用熱交換器３でさらに−２０℃まで２次冷却される。圧力は空気圧縮機６から排出された０．１８Ｍｐａに維持される。
熱回収用熱交換器３で−２０℃まで冷却された空気は、タービンユニット５の空気膨張機７により断熱膨張され、−５０℃まで冷却されて出口部１ｂから排出され、前記サイクロン型気液分離装置９を経て被冷却部１０に供給される。この冷却サイクル冷凍装置は、このような冷凍サイクルを行う。
【００１９】
タービンユニット５では、軸受４により回転自在に支持された主軸１１の両端に、空気圧縮機６のコンプレッサ翼車および空気膨張機７のタービン翼車がそれぞれ取付けられている。空気膨張機７のタービン翼車で発生した動力により、空気圧縮機６のコンプレッサ翼車が駆動される。
【００２０】
前記サイクロン型気液分離装置９は、図２および図３に縦断面図および水平断面図で示すように、流入する気体を内壁面に沿って旋回させて気液分離を行う円筒状の装置本体１２を有する。この装置本体１２内に、前記空気膨張機７の出口部１ｂが配置されて、その出口部１ｂから噴出する冷却空気が装置本体１２の内壁面に沿って旋回する。この装置本体１２はその一端が開放端とされており、装置本体１２内を経た冷却空気が前記開放端から被冷却部１０に供給される。なお、図３は、図２におけるIII − III矢視断面図を示す。
【００２１】
空気膨張機７の出口部１ｂは空気吹き出し管からなり、図２のように前記装置本体１２の閉塞端近傍における周壁の一部を貫通して設けられ、その空気吹き出し管の軸線Ｌが図３のように装置本体１２の軸心Ｏから偏心した位置となるように配置される。これにより、空気膨張機７の出口部１ｂから噴出した冷却空気を装置本体１２の内壁面に沿って確実に旋回させることができる。このとき、冷却空気が旋回流となって、冷却空気に含まれる水分のみが遠心力で装置本体１２の内壁面に押し付けられて分離される。
また、前記装置本体１２の内壁面には、親水処理を施した１０〜２０メッシュの金網１３が張られている。これにより、分離された水分が装置本体１２の内壁面でより一層捕捉しやすくなる。親水処理としては、例えばシリコンなどの親水性無機成分を含んだ塗料をコーティングする処理が採用できる。
【００２２】
また、図２のIV−IV矢視断面図を示す図４のように、前記装置本体１２は、その開放端側を下向きとして、水平面Ｈに対して５〜９０度の傾斜角度θで設置されている。これにより、冷却空気から分離された水を装置本体１２の内壁面に沿って開放端側に流すことができる。
【００２３】
また、前記装置本体１２の開放端周縁、つまり図４における傾斜姿勢の装置本体１２の下端周縁には、内側に折り返された捕水用フランジ１４が設けられており、そのフランジ１４の周方向における下位置の部分に、排水管１５に連通する排水口１４ａが設けられている。これにより、装置本体１２の内壁面に沿って開放端側に流れてきた水を捕水用フランジ１４に溜めて、排水口１４ａから排水管１５を経て被冷却部１０の外部に排出させることができる。
【００２４】
また、前記装置本体１２はアルミ合金製とされ、その外周部にヒータ１６が設けられている。これにより、冷却空気中の水分が雪となって装置本体１２の内壁面に堆積した場合に、前記ヒータ１６に通電して堆積した雪を溶かして排水することができる。
【００２５】
次に、この空気サイクル冷凍装置における前記サイクロン型気液分離装置９の作用を説明する。
冷凍コンテナからなる被冷却部１０の庫内温度が常温からの初期冷却においては、空気膨張機７の出口部１ｂの温度は水の凝固点以上であるため、前記出口部１ｂから噴出する冷却空気中の水分は液化している。このとき、サイクロン型気液分離装置９の装置本体１２内において発生する旋回流により、冷却空気中の水分は装置本体１２の内壁面に押し付けられて空気と分離し、捕水用フランジ１４から排水口１４ａおよび排水管１５を経て被冷却部１０の外部に排水される。
空気膨張機７の出口部１ｂの温度が凝固点以下になった場合、冷却空気中の水分は雪となり、サイクロン型気液分離装置９の装置本体１２の内壁面に堆積する。このまま運転を続けると流路閉塞するため、一定時間ごとに、タービンユニット５の回転を低速にして前記出口部１ｂの温度を凝固点以上にし、堆積した雪を溶かして液化させる。この後、再びタービニュニット５を定格回転数まで加速する間の気流で、液化した水分を排水する。
冷却がさらに進み、被冷却部１０内が凝固点以下となった場合、タービンユニット５の回転を低速にすると同時に、サイクロン型気液分離装置９の装置本体１２の外周部に設けられたヒータ１６に通電し、装置本体１２の内壁面に堆積した雪を溶かして液化させ排水する。
以上の操作を繰り返すことで、冷却初期段階において被冷却部１０内の水分を除湿し、空気膨張機７の効率低下を防止し、空気膨張機７の出口部１ｂでの雪の堆積による流路閉塞を防止する。
【００２６】
このように、この空気サイクル冷凍装置によると、簡単な構成で被冷却部１０内の除湿ができ、空気膨張機７の効率向上と空気膨張機７の出口部１ｂでの雪の堆積による流路閉塞を防止できる。これにより、設置空間が狭いコンテナ用冷凍ユニット等への空気サイクル冷凍装置の装着が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の一実施形態にかかる空気サイクル冷凍装置の系統図である。
【図２】同空気サイクル冷凍装置におけるサイクロン型気液分離装置の縦断面図である。
【図３】図２におけるIII −III 矢視断面図である。
【図４】図２におけるIV−IV矢視断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…空気循環経路
１ａ…空気の取入部
１ｂ…空気の出口部（空気膨張機の出口部）
２…放熱用熱交換器
３…熱回収用熱交換器
５…タービンユニット
６…空気圧縮機
７…空気膨張機
９…サイクロン型気液分離装置
１０…被冷却部
１２…装置本体
１３…金網
１４…捕水用フランジ
１４ａ…排水口
１６…ヒータ
【図１】
2009222277.tif 000003
【図２】
2009222277.tif 000004
【図３】
2009222277.tif 000005
【図４】
2009222277.tif 000006