JPH08303886A - 冷凍設備とその操業方法 - Google Patents

冷凍設備とその操業方法

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JPH08303886A
JPH08303886A JP13590495A JP13590495A JPH08303886A JP H08303886 A JPH08303886 A JP H08303886A JP 13590495 A JP13590495 A JP 13590495A JP 13590495 A JP13590495 A JP 13590495A JP H08303886 A JPH08303886 A JP H08303886A
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JP
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nitrogen
air
enriched air
barg
enriched
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JP13590495A
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English (en)
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Jeremy Paul Miller
ジェレミー．ポール．ミラー
David Smith Colin
コリン．ディビッド．スミス
Rodney J Allam
ロドニー．ジョン．アラム
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Air Products and Chemicals Inc
Original Assignee
Air Products and Chemicals Inc
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 フルオロカーボンやハイドロフルオロカーボ
ンを冷媒として用いる現在の冷凍設備を空気乃至窒素、
窒素濃縮空気を冷媒とする冷凍設備とその操業方法の提
供。 【構成】 空気を冷媒として用いる冷凍設備は空気を８
４バールｇに圧縮する圧縮器からなる。この圧縮空気を
まず冷却水で冷却した後、空気をプレート・フィン熱交
換器に戻してから膨脹器で５９バールｇに膨脹させる。
−６１℃の温度で膨脹させたこの膨脹空気をコールドス
トアにある間接冷却コイルを通過させると、それが温度
を−４５℃に保つ。この空気をその後、プレート・フィ
ン熱交換器を通してから前記圧縮器に再循環させる。送
出された冷凍は電力１キロワット当り約１．０５キロワ
ットの冷凍である。 【効果】 空気がこの冷凍設備に極めて好ましい冷媒で
あるが、さらに窒素もしくは窒素濃縮空気を別の冷媒と
しても利用できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は冷凍設備とその操業方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】家庭用ならびに商業用冷凍設備は通常冷
媒としていろいろなフルオロカーボンならびにハイドロ
フルオロカーボンを用いる。これらの冷媒の多くは地球
を取巻くオゾン層の減少の原因になっていると考えられ
ており、多数の国で前記冷媒の利用の禁止もしくは厳し
く制限する立法を提案されている。
【０００３】空気が冷媒として利用できるということは
多年にわたる周知のことであった。しかし、空気利用の
冷凍設備は他の冷媒を利用する冷凍設備と比較して極め
て非効率であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】１つの歴史的な冷凍設
備では、空気を圧縮、室温に冷却してその後、周囲圧力
に膨脹させる。典型的例として、空気を約１００バール
ｇの圧力に圧縮し、室温に冷却、ジュール・トムソン弁
を通して周囲圧力に膨脹させた後、前記ジュール・トム
ソン弁を約−４０℃の温度で離れた。このシステムを商
業用冷凍装置例えば食品を植民地に運搬する船舶のホー
ルドに適用する時、送出される冷凍は典型的例としてエ
ネルギー入力の１キロワット当り約０．２キロワットの
冷凍であった。現在のシステムはジュール・トムソン弁
の代りにターボ膨脹器を用いる設計にしてエネルギー消
費を削減してきた。これらのシステムは一般に大気圧に
近い圧力で排出するタービンで操業する。送出される冷
凍は典型的例としてエネルギー入力の１キロワット当り
０．４キロワット冷凍である。これはフルオロカーボン
を冷媒として用いる最新式冷凍設備のエネルギー入力の
１キロワット当り約１．２５キロワットに匹敵する。
【０００５】本発明の目的は空気、窒素もしくは窒素濃
縮空気を冷媒として用い、上述の最新式冷凍設備の電力
消費にほぼ等しい電力消費の冷凍設備およびその操業方
法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る冷凍設備に
よれば： (i) 空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を２０バールｇ乃
至１４０バールｇの圧力に圧縮する圧縮器と； (ii)前記圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を冷却す
る熱交換器と； (iii)前記冷却圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を
１５バールｇ乃至１１０バールｇの範囲の圧力に膨脹さ
せる膨脹器と； (iv)冷却空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を受入れる冷
却装置と； (v) 空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を前記冷却装置か
ら前記熱交換器に−２０℃乃至−１２０℃の温度で搬送
して、前記空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を冷却する
手段と：からなる。
【０００７】前記冷凍設備は、前記空気、窒素もしくは
窒素濃縮空気を前記圧縮器に再循環させる手段からさら
になることが好ましい。
【０００８】前記熱交換器がプレート・フィン熱交換器
であることが好都合である。
【０００９】また、前記圧縮器を前記膨脹器と連結させ
ることが好ましい。これは、例えば駆動軸により、ある
いは歯車装置を介して、使用中、前記膨脹器の回転速度
の前記圧縮器の回転速度に対する比を固定させる。
【００１０】さらに、本発明による冷凍設備の操業の方
法は、 (i) 空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を２０バールｇ乃
至１４０バールｇの圧力に圧縮する工程と； (ii) 前記圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を冷却
する工程と； (iii)前記圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を１５
バールｇ乃至１１０バールｇの範囲の圧力に膨脹させる
工程と； (iv) 前記膨脹させた空気、窒素もしくは窒素濃縮空気
を用いて冷凍空間を冷却する工程と； (v) 前記膨脹させた空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を
前記冷凍空間から−２０℃乃至−１２０℃の温度で抜取
る工程と； (vi) 前記冷凍設備から抜取られた前記空気、窒素もし
くは窒素濃縮空気を前記圧縮空気、窒素もしくは窒素濃
縮空気を少くとも部分冷却してからそれを膨脹させる工
程と；からなる。
【００１１】前記膨脹させた空気、窒素もしくは窒素濃
縮空気を前記冷凍空間から−２０℃乃至−１００℃の温
度で抜取ることが好ましい。
【００１２】また工程(iii) からの前記膨脹させた空
気、窒素もしくは窒素濃縮空気の圧力が工程(i) からの
圧縮空気の圧力の０．６乃至０．８５であることが好都
合である。
【００１３】さらに、前記方法が空気、窒素もしくは窒
素濃縮空気を工程(vi)から再循環させて再圧縮する工程
を含めることが好ましい。
【００１４】前記空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を７
０バールｇ乃至１００バールｇの圧力に、さらに８０バ
ールｇ乃至９０バールｇの圧力に圧縮することが好都合
である。
【００１５】好ましくは、前記空気、窒素もしくは窒素
濃縮空気を５０バールｇ乃至８０バールｇ、さらに好ま
しくは５０バールｇ乃至７０バールｇの圧力に膨脹させ
ることである。
【００１６】前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮空気
を前記冷凍空間から−３０℃乃至−１００℃、このまし
くは−３０℃乃至−５０℃、さらに好ましくは−３５℃
乃至−４５℃あるいは−７０℃乃至−９０℃、さらに好
ましくは−７５℃乃至−８５℃の温度で抜取ることが好
都合である。
【００１７】
【作用】本発明の冷凍設備は圧縮器からなり、該圧縮器
により供給材料空気を２０バールｇ乃至１４０バールｇ
に圧縮された空気は熱交換器に入り、そこで間接熱交換
器で冷却される。この冷却圧縮空気は前記熱交換器を離
れプレート・フィン熱交換器を通過し、そこでさらに冷
却される。このさらに冷却された圧縮空気はプレート・
フィン熱交換器を離れて、前記圧縮器に駆動軸を介して
接続された膨脹器に導入される。
【００１８】１５バールｇ乃至１１０バールｇに膨脹し
た低温空気は前記膨脹器を離れ、冷却コイルを通る。こ
の一部熱入れ膨脹空気は前記冷却コイルを離れ、またそ
れが冷却する前記冷却圧縮空気に向って流れる向流に乗
って−２０℃乃至−１２０℃の温度で前記プレート・フ
ィン熱交換器を通過する。
【００１９】前記熱入れ空気は前記プレート・フィン熱
交換器を離れ、前記圧縮器に再循環され、周囲空気を圧
縮する小型圧縮器により補給空気を供給して、ドライヤ
ーに通して水分を除去する。前記補給空気は前記冷凍設
備からの僅かな空気損失も埋合わす。前記圧縮器を前記
膨脹器で発生させた動力で駆動し、不足分をモータで賄
う。このように本発明にかかる冷凍設備には極めて好ま
しい冷媒ではあるが、窒素もしくは窒素濃縮空気も別の
冷媒として利用できる。
【００２０】
【実施例】次に本発明の実施例を添付図面について詳述
する。
【００２１】実施例１ 図１において、参照数字１０１で総体的に冷凍設備を示
す。
【００２２】前記冷凍設備１０１は供給材料空気の圧縮
に配置された圧縮器１０２からなる。この圧縮空気は管
１０３を通って熱交換器１０４に入り、そこで冷却水を
用いて間接熱交換器で冷却する。この冷却圧縮空気は管
１０５に通って前記熱交換器１０４を離れプレート・フ
ィン熱交換器１０６を通過し、そこでさらに冷却され
る。このさらに冷却された圧縮空気は管１０７を通って
プレート・フィン熱交換器１０６を離れて、前記圧縮器
１０２に駆動軸１０９を介して接続された膨脹器に導入
される。
【００２３】低温膨脹空気は管１１０を通って前記膨脹
器１０８を離れ、コールドストア１１２にある冷却コイ
ル１１１を通る。この一部熱入れ膨脹空気は管１１３を
通って前記冷却コイル１１１を離れ、またそれが冷却す
る前記冷却圧縮空気に向って流れる向流に乗って前記プ
レート・フィン熱交換器を通過する。
【００２４】前記熱入れ空気は管１１４を通って前記プ
レート・フィン熱交換器１０６を離れ、管１１５を経由
して前記圧縮器１０２に再循環される。周囲空気を圧縮
する小型圧縮器１１６により補給空気を供給し、それを
ドライヤーに通して水分を除去する。前記補給空気は前
記冷凍設備１０１からの僅かな空気損失も埋合わす。
【００２５】前記圧縮器１０２を前記膨脹器１０８で発
生させた動力で駆動し、不足分をモータ１１８で賄う。
【００２６】下記する表１は図１でＡ乃至Ｉでマークさ
れた箇所での空気の特性を示す。この配置で送出された
冷凍をモータ１１８へのエネルギー入力１キロワット当
り１．０５キロワットの冷凍であると算出している。
【００２７】
【表１】 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 流れ識別 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 相 気／液 気相 気相 気相 気相 総流量 Kgモル／秒 1.00 1.00 1.00 1.00 温度 ℃ -45.0 16.9 16.7 54.8 圧力 バールｇ 59.5 59.3 59.2 85.0 エンタルピー キロワット -2709 -661 -661 412 エントロピー J/(Kg,K) -1355 -1079 -1079 -1062 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 流れ識別 Ｅ Ｆ Ｇ ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 相 気／液 気相 気相 気相 総流量 Kgモル／秒 1.00 1.00 1.00 温度 ℃ 19.9 -39.6 -61.2 圧力 バールｇ 84.7 84.4 60.0 エンタルピー キロワット -723 -2771 -3293 エントロピー J/(Kg,K) -1187 -1457 -1449 ――――――――――――――――――――――――――――――――――― 注目すべきことは、これが上述の先行技術によるフレオ
ン（ＲＴＭ）冷凍設備と極めて有利に比較できることで
あり、既述の先行技術による空気冷凍設備より比較にな
らないほど効率のよいことである。
【００２８】実施例２ ここで図２を参照。示された冷凍設備は総体的に図１で
示されたものと同様で、図１の部品と同様の機能を備え
る部品を“２００”の数列にした同様の参照番号で示し
た。
【００２９】詳述すれば、参照番号２０１で総体的に示
された冷凍設備は供給材料空気の圧縮に配置された圧縮
器からなる。前記圧縮空気は管２０３を通過して熱交換
器２０４に入り、そこで冷却水を用いる間接熱交換器に
より冷却、それをプレート・フィン熱交換器２０６に通
し、そこでさらに冷却する。前記さらに冷却された圧縮
空気は管２０７を通ってプレート・フィン熱交換器を離
れ、歯車２０９ａ、２０９ｂと２０９ｃからなる歯車装
置２０９′を介して前記圧縮器２０２に接続された膨脹
器２０８に導入する。詳述すれば、歯車２０９ａは前記
膨脹器２０８と固着し、また圧縮器２０２と固着する歯
車２０９ｃと噛合係合にある歯車２０９ｂと噛合係合に
ある。モータ２１８と図示のように歯車２０９ｂに接続
する。
【００３０】低温膨脹空気は管２１０を通って前記膨脹
器２０８を離れ、食品凍結室にある冷却コイル２１１の
中を通る。前記部分熱入れされた膨脹空気は管２１３を
通って前記冷却コイル２１１を離れ、それが冷却する前
記冷却圧縮空気に向って流れる向流に乗って前記プレー
ト・フィン熱交換器を通過する。
【００３１】前記熱入れ空気は管２１４を通って前記プ
レート・フィン熱交換器２０６を離れ、それを管２１５
を経由して前記圧縮器２０２に再循環させる。
【００３２】周囲空気を圧縮する小型圧縮器２１６によ
り補給空気を供給し、それをドライヤー２１７を通過さ
せて水分を除去する。前記補給空気は前記冷凍設備２０
１からの僅かな空気損失も埋合わす。
【００３３】圧縮器２０２を前記膨脹器２０８で発生さ
せた動力で駆動し、不足分をモータ２１８で賄う。
【００３４】
【発明の効果】以上説明した通り本発明にかかる冷凍設
備には極めて好ましい冷媒ではあるが、窒素もしくは窒
素濃縮空気も別の冷媒として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による冷凍設備の第１の実施例の系統図
である。
【図２】本発明による第２の実施例の系統図である。
【符号の説明】
１０１（２０１） 冷凍設備 １０２（２０２） 圧縮器 １０３（２０３） 管 １０４（２０４） 熱交換器 １０５（２０５） 管 １０６（２０６） プレート・フィン熱交換器 １０７（２０７） 管 １０８（２０８） 膨脹器 １０９ 駆動軸 １１０（２１０） 管 １１１（２１１） 冷却コイル １１２ コールドストア １１３（２１３） 管 １１４（２１４） 管 １１５（２１５） 管 １１６（２１６） 小型圧縮器 １１７（２１７） ドライヤー １１８（２１８） モータ Ａ〜Ｉ 空気の特性測定の箇所 ２０９ 歯車装置 ２０９ａ 歯車 ２０９ｂ 歯車 ２０９ｃ 歯車 ２１２ 食品冷凍室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェレミー．ポール．ミラー イギリス国．アールジー．７．２．ジェイ エス．バークシャー．エヌアール．リーデ ィング．モルティメー．サマーラング．コ プス．ビュー（番地なし) (72)発明者 コリン．ディビッド．スミス イギリス国．サリー．カムバーリー．ハイ バリー．クレセント．13 (72)発明者 ロドニー．ジョン．アラム イギリス国．サリー．ギルドフォード．セ ント．キャサリンズ．ギルドダウン．ロー ド．“ウェスタクレ”（番地なし)

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 冷凍設備であって、 (i) 空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を圧縮する圧縮器
    （１０２；２０２）と； (ii) 前記圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を冷却
    する熱交換器（１０４、１０６；２０４、２０６）と； (iii)前記冷却圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を
    膨脹させる膨脹器（１０８；２０８）と； (iv) 前記低温空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を受入
    れる冷却装置（１１１、２１１）と； (v) 前記空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を前記冷却装
    置（１１１；２１１）から前記熱交換器（１０６；２０
    ６）に搬送して前記空気を冷却する手段（１１３；２１
    ３）と；からなり、 ・前記圧縮器（１０２；２０２）が前記空気、窒素もし
    くは窒素濃縮空気を２０バールｇ乃至１４０バールｇの
    範囲に圧縮できることと； ・前記膨脹器（１０８；２０８）が前記冷却圧縮空気、
    窒素もしくは窒素濃縮空気を１５バールｇ乃至１１０バ
    ールｇの範囲の圧力に膨脹できることと； ・前記手段（１１１、２１１）が前記空気、窒素もしく
    は窒素濃縮空気を−２０℃乃至−１２０℃の範囲の温度
    で前記熱交換器（１０６；２０６）に搬送できること
    と；を特徴とする冷凍設備。
  2. 【請求項２】 前記冷凍設備が、前記空気、窒素もしく
    は窒素濃縮空気を前記圧縮器に再循環させる手段からさ
    らになることを特徴とする請求項１の冷凍設備。
  3. 【請求項３】 前記熱交換器（１０６；２０６）がプレ
    ート・フィン熱交換器であることを特徴とする請求項１
    もしくは２の冷凍設備。
  4. 【請求項４】 前記圧縮器（２０２）を前記膨脹器（２
    ０８）に歯車装置（２０９′）を介して接続し、使用
    中、前記膨脹器（２０８）の回転速度、前記圧縮器（２
    ０２）の回転速度に対する比率を固定させることを特徴
    とする請求項１乃至３のいずれか１項の冷凍設備。
  5. 【請求項５】 請求項１による冷凍設備の操業方法であ
    って、 (i) 空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を圧縮する工程
    と； (ii) 前記圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を冷却
    する工程と； (iii)前記圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を膨脹
    させる工程と； (iv) 前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を用い
    て冷凍空間を冷却する工程と； (v) 前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を前記冷
    凍空間から抜取る工程と； (vi) 前記冷凍設備から抜取られた前記膨脹空気、窒素
    もしくは窒素濃縮空気を用いて前記圧縮空気、窒素もし
    くは窒素濃縮空気を少くとも部分的に抜取ってから、そ
    れを膨脹させる工程と；からなり、 ・前記空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を２０バールｇ
    乃至１４０バールｇの範囲の圧力に圧縮させることと； ・前記圧縮空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を１５バー
    ルｇ乃至１１０バールｇの範囲の圧力に膨脹させること
    と； ・前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を前記冷凍
    空間から−２０℃乃至−１２０℃の温度で抜取ること；
    を特徴とする操業の方法。
  6. 【請求項６】 前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮空
    気を前記冷凍空間から−２０℃乃至−１００℃の範囲の
    温度で抜取ることを特徴とする請求項５の方法。
  7. 【請求項７】 工程(iii) からの前記膨脹空気、窒素も
    しくは窒素濃縮空気の圧力が工程(i) からの前記圧縮空
    気、窒素もしくは窒素濃縮空気の圧力の０．６乃至０．
    ８５であることを特徴とする請求項５もしくは６の方
    法。
  8. 【請求項８】 前記方法が工程(vi)からの空気、窒素も
    しくは窒素濃縮空気を再循環させて再圧縮する工程を含
    むことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項の方
    法。
  9. 【請求項９】 前記空気、窒素もしくは窒素濃縮空気を
    ７０バールｇ乃至１００バールｇの圧力に圧縮すること
    を特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項の方法。
  10. 【請求項１０】 前記空気、窒素もしくは窒素濃縮空気
    を８０バールｇ乃至９０バールｇに圧縮することを特徴
    とする請求項９の方法。
  11. 【請求項１１】 前記空気、窒素もしくは窒素濃縮空気
    を５０バールｇ乃至８０バールｇの圧力に膨脹すること
    を特徴とする請求項８、９もしくは１０の方法。
  12. 【請求項１２】 前記空気、窒素もしくは窒素濃縮空気
    を５０バールｇ乃至７０バールｇの圧力に膨脹させるこ
    とを特徴とする請求項１１の方法。
  13. 【請求項１３】 前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮
    空気を前記冷凍空間から−３０℃乃至−１００℃の温度
    で抜取ることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか
    １項の方法。
  14. 【請求項１４】 前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮
    空気を前記冷凍設備から−３０℃乃至−５０℃の温度で
    抜取ることを特徴とする請求項１３の方法。
  15. 【請求項１５】 前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮
    空気を前記冷凍空間から−３５℃乃至−４５℃の温度で
    抜取ることを特徴とする請求項１４の方法。
  16. 【請求項１６】 前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮
    空気を前記冷凍空間から−７０℃乃至−９０℃の温度で
    抜取ることを特徴とする請求項１５の方法。
  17. 【請求項１７】 前記膨脹空気、窒素もしくは窒素濃縮
    空気を前記冷凍空間から−７５℃乃至−８５℃の温度で
    抜取ることを特徴とする請求項１６の方法。
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