特許 6762624 冷凍設備用ヒートポンプ、これを用いた液体急速凍結装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6762624

(24)【登録日】2020年9月11日

(45)【発行日】2020年9月30日

(54)【発明の名称】冷凍設備用ヒートポンプ、これを用いた液体急速凍結装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 41/04 20060101AFI20200917BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20200917BHJP

【ＦＩ】

   F25B41/04 H

   F25B1/00 101H

   F25B1/00 101J

   F25B1/00 387L

   F25B1/00 387Z

   F25B1/00 304W

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2019-46760(P2019-46760)

(22)【出願日】2019年3月14日

【審査請求日】2020年2月28日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】518015088

【氏名又は名称】株式会社光商事

(74)【代理人】

【識別番号】100087664

【弁理士】

【氏名又は名称】中井 宏行

(72)【発明者】

【氏名】藤島 正憲

【審査官】 笹木 俊男

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１３８６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０２０６８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公平０７−０２８７１０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００３−２６９８０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５４−０２１２５８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開平０５−００１８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０１−１３１９７１（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ４１／０４ 〜 ４１／０６

Ｆ２５Ｄ １１／００ 〜 １６／００

Ｆ２５Ｄ ２７／００ 〜 ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒の循環路として蒸発器と圧縮機と凝縮器とが管路によって接続され、前記蒸発器で冷却した熱を前記凝縮器で放熱させる構成とされたヒートポンプにおいて、
前記圧縮機に前記蒸発器から気体の状態で送られて来る冷媒の圧力低下を補償するための調圧・バイパス制御手段が設けられており、
前記調圧・バイパス制御手段は、前記蒸発器の出口と前記圧縮機の吸引口との間に設けた圧力調整弁と、前記圧縮機の排気口と前記蒸発器の入口との間に介装された第一の開閉制御弁を設けた管路と、前記圧縮機の排気口と該圧縮機の吸引口との間に介装された第二の開閉制御弁を設けた管路とを備えている、冷凍設備用ヒートポンプ

【請求項2】

請求項１において、前記圧縮機の吸引口側に、前記蒸発器から気体の状態で送られて来る冷媒の圧力を検知する圧力センサーが設けられている、冷凍設備用ヒートポンプ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の冷凍設備用ヒートポンプと、不凍液内に被冷凍物を浸漬して凍結させる凍結槽とを備えた、液体急速凍結装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷凍設備用ヒートポンプ及びこれを用いた液体急速凍結装置に関する。

【背景技術】

【0002】

コンプレッサーを用いて冷媒ガスを循環させて熱交換させるヒートポンプは、空調や冷凍などに広く使用されているが、汎用的なコンプレッサーを用いた構成では、冷媒ガスに潤滑油を含有させて、コンプレッサーの潤滑と気密性を確保している。
また、特許文献１には、コンプレッサーを用いたヒートポンプを組み込んだ液体急速凍結機が提案されているが、食材などを不凍液に浸漬させ、ジェットスクリューポンプによって噴流攪拌することによって均一に凍結させる構成のものが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特公平７−２８７１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、この種のヒートポンプを冷凍設備に使用し、蒸発器による冷却効果を高めるためには、コンプレッサーを高速運転する必要があり、高速運転の可能なコンプレッサーであれば蒸発器を−４０℃以下の超低温度域まで冷却することは原理的には可能であるが、コンプレッサーを高速運転させれば、蒸発器からコンプレッサーに吸引される冷媒ガスが希薄になって圧力が急激に低下する。その結果、コンプレッサーに十分な潤滑油が戻らなくなって、いわゆるオイル切れ現象が生じ、潤滑と気密性が確保できずに破損してしまうという問題があった。このため、通常の汎用タイプのコンプレッサーを用いた冷凍設備では、−４０℃以下の超低温度域まで冷凍させることは不可能とされていた。

【0005】

これに対して本発明は、汎用のコンプレッサーを用いてヒートポンプを構成した場合にも、前記のようなオイル切れの問題がなく、−４０℃以下の超低温度域まで冷却できるようにすることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のヒートポンプは、冷媒の循環路として蒸発器と圧縮機と凝縮器とが管路によって接続され、蒸発器で冷却した熱を凝縮器で放熱させる構成とされたヒートポンプにおいて、前記圧縮機に前記蒸発器から気体の状態で送られて来る冷媒の圧力低下を補償するための調圧・バイパス制御手段が設けられており、前記調圧・バイパス制御手段は、前記蒸発器の出口と前記圧縮機の吸引口との間に設けた圧力調整弁と、前記圧縮機の排気口と前記蒸発器の入口との間に介装された第一の開閉制御弁を設けた管路と、前記圧縮機の排気口と該圧縮機の吸引口との間に介装された第二の開閉制御弁を設けた管路とを備えていることを特徴とするものである。

【0007】

また本発明の液体急速凍結装置は、急速液体凍結装置に、本発明のヒートポンプを組込んだ構成になっている。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、コンプレッサーを高速で運転させても、蒸発器から気体となって送られて来る冷媒の圧力低下が、循環する冷媒を用いて抑制されるので、オイル切れを起こすことなく、不凍液を摂氏マイナス４０度以下の超低温度域まで冷却できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明によるヒートポンプの基本構成図である。

【図2】本発明による凍結装置の基本構成図である。

【図3】本発明による冷凍庫の基本構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、本発明によるヒートポンプの基本構成図である。
ヒートポンプＡは、摂氏マイナス４０〜５０度程度まで冷却する液体急速凍結装置や冷凍庫を好適な用途とするものである。
ヒートポンプＡは、冷媒の循環路として、蒸発器１と圧縮機２と凝縮器３とが管路１４によって接続されている。すなわち管路１４は、蒸発器１の出口と圧縮機２の入口とが接続され、圧縮機２の出口と凝縮器３の入口とが接続され、凝縮器３の出口と蒸発器１の入口とが接続された循環路を構成している。

【0011】

また、蒸発器１と凝縮器３との間には、調圧・バイパス制御手段Ｂが設けられている。
この調圧制御手段Ｂは、蒸発器１の出口と圧縮機２の入口との間に圧力調節弁１６を設け、更に、圧縮機２の出口と蒸発器１の入口との間にバイパス路１５を設けて、このバイパス路１５に、電磁弁２１と二方弁２２を設けている。

【0012】

一方の凝縮器３は、その出口近傍に乾燥フィルター１７が設けられ、乾燥フィルター１７と蒸発器１の入口との間には電磁弁１８、膨張弁１９、合流器２０が設けられている。
なお、図中、破線はバイパス路１５を通じる冷媒の流れを示している。

【0013】

管路１４及びバイパス路１５は、銅、スチール或いはアルミ等の金属管又は樹脂管で構成されている。
蒸発器１は、基本的には銅、スチール或いはアルミ等の金属管で形成され、複数のフィン１ａを有しており、金属管の壁面を介してその内側の冷媒と外側の気体又は液体とが熱交換できるようになっている。蒸発器１は、冷凍庫内の空間、あるいは凍結装置内の空間に配置されて、その場所で気体又は液体から吸熱する作用をなす。
圧縮機２は、気体状態の冷媒を圧縮するコンプレッサーで構成され、その駆動用に図示しないモーター等の動力源を備えている。圧縮機２の種別に特段の制限はなく、ターボ型、スクリュー型、レスプロ型等を用いることができる。なお冷媒の種別に応じた圧縮圧を得るため圧縮機２は多段構成にする等の構成も可能である。
凝縮器３は、基本的には銅、スチール或いはアルミ等の金属管で形成されており、金属管の壁面を介してその内部の冷媒と外部の空気とが熱交換できるようになっている。更に凝縮器３には複数のフィン３ａが固着されており、フィンに空気を送るためのブロアー３ｂが付設されている。凝縮器３は、冷凍庫外の開放空間、あるいは凍結装置外の開放空間に配置されて、外気に対して放熱する作用をなす。

【0014】

圧力調節弁１６は、一次側圧力調節弁であり、機械式のものを想定しているが、電磁弁を用いて、図示しないコンピュータによる制御によって所定時間毎に開動作させるようにしてもよい。
乾燥フィルター１７は、冷媒に混じっている異物、水分等を捕集するフィルターである。
電磁弁１８は、管路１４における冷媒の通過量を調節するための弁であって、図示しない制御手段によって開弁率等が制御される。
膨張弁１９は、開度調節可能な電磁弁又は機械弁であって、図示しない制御手段によって開度等が制御され、当該部分にオリフィスを形成する。
合流器２０は、管路１４を通じてきた冷媒とバイパス路１５を通じてきた冷媒とを合流させるものである。

【0015】

また電磁弁２１は、バイパス路１５における冷媒の通過量を調節するための弁であって、コンピュータなどの図示しない制御手段によって弁の開閉度合が制御される。
二方弁２２、２５はバイパス路１５の接続先を選択するための開閉弁である。
圧力センサー２３、２４はそれぞれ蒸発器１の入口側の圧力、圧縮機１２の入口側の吸引圧を検知するように設けられている。

【0016】

次いでヒートポンプＡの基本動作を説明する。冷媒としてはＲ−４０４Ａ又はＲ−４１０Ａを想定している。
圧縮機２及びブロアー３ｂを作用させると、次のような動作が連続的になされる。なお蒸発器１によって冷却されるべき気体、液体は特に制限されない。
蒸発器１から圧縮機２に送られて来た気体状態の冷媒は、圧縮機２で圧縮されると、高温高圧な状態になって凝縮器３に送られる。凝縮器３では内側の冷媒と外側の空気との熱交換が行われ、冷やされた冷媒は凝縮して高圧な液体状態になる。そして、この高圧な液体状態の冷媒は、膨張弁１９を通過したときに圧力損失を受け、蒸発器１の中で断熱膨張して低温低圧な気体状態になる。このとき蒸発器１の内側の冷媒と外側の気体又は液体との熱交換によって不凍液は冷却され、蒸発器１から排出された低温低圧な気体状態の冷媒は圧縮機２に戻る。ヒートポンプＡの基本能力は、圧縮機２の回転数、制御弁１８の開弁率等によって調節できる。

【0017】

圧縮機２は、圧縮のために容積変化する作動室（図示なし）を備えており、その作動室はオイルによって潤滑され気密維持されるが、このオイルは圧縮された冷媒に混じって圧縮機２から徐々に排出されていく。通常、その排出されたオイル分は、冷媒が圧縮機２によって再吸引されたときに戻ってくるので、圧縮機２のオイルは一定量に保たれて、オイル切れによる不具合を生じない。

【0018】

しかしながら、圧縮機２を高速で連続運転して、蒸発器１の周囲の気体又は液体を非常な低温まで（摂氏マイナス４０度以下）冷すと、蒸発器１から排出される冷媒の圧力が低くなり、過剰に希薄化してしまう。その結果、オイルが圧縮機２に戻ってこず、最終的にはオイル切れが起きるという問題があった。
例えば冷媒としてＲ−４０４Ａを用いた場合、蒸発器１における冷媒の温度を摂氏マイナス４５〜４６度にすることは原理的に可能であるが、そのとき冷媒の圧力は９９．３１ｋＰａになり、圧縮機２はオイル切れのため作動不能になってしまう。

【0019】

本発明のヒートポンプＡは、圧力・バイパス制御手段Ｂを設けているので、そのような不具合が生じない。すなわち、圧力・バイパス制御手段Ｂを構成する圧力調節弁１６は、蒸発器１から排出されてくる冷媒の圧力が低下すると閉じて、冷媒を一旦堰き止め、その冷媒の圧力が所定以上になった時点で放出するという動作をなすので、オイル切れが防止できる。この場合、蒸発器１における冷媒の圧力は圧力調節弁１６の開閉弁に合わせて上下動を繰り返すことになるが、この冷媒の圧力が低くなっているときは、冷媒の温度が極めて低くなるときであり、強い吸熱が行われ、これによって冷媒のＲ−４０４Ａが摂氏マイナス４５〜４６度になる。

【0020】

また例えば冷媒としてＲ−４１０Ａを用いた場合、蒸発器１における冷媒の温度を摂氏マイナス５５〜５６度にすると、冷媒の圧力は８０．４６ｋＰａになるので、前記のような圧力調節弁１６の作用だけでは圧縮機２のオイル切れを防止することは難しい。
しかしながら、この問題は、圧力・バイパス調節制御手段Ｂによって解決される。すなわち、前記した圧力調節弁１６を閉じても、急激な圧力低下が解消しないときには、二方弁２２を閉じ、二方弁２５を開き、電磁弁２１を開けば、圧縮機２から排出した高温高圧な気体状態の冷媒を、直接圧縮機２に供給することができるので、蒸発器１から排出される冷媒の圧力低下が補完されることになる。また、二方弁２２を開き、二方弁２５を閉じ、電磁弁２１を開けば、圧縮機２から排出した高温高圧な気体状態の冷媒を、蒸発器１に送り込んで、蒸発器１による急速冷却を緩やかに制御できる。
これらの圧力調節弁１６、バイパス路１５に設けた二方弁２２、２５、電磁弁２１は、圧力センサー２４からの信号に基づいて、コンピュータに実装したプログラムに従って行われ、オイル切れを生じることなく、蒸発器１は冷却される。また、コンピュータで制御を実行せずに、圧力センサーの検知信号に基づいて、電磁弁２１の開弁率を制御してもよい。

【0021】

本発明では、このような制御を行っているので、ヒートポンプＡは汎用の圧縮機２を用いることが可能であり、かつバイパス路１５や圧力調節弁１６のために要する費用も僅かなので安価に製造できる。

【0022】

次いで前記ヒートポンプＡを用いた凍結設備の例を説明する。
図２は凍結設備の基本構成図である。図１に共通する要素には同一の参照符号を付けている。

【0023】

凍結装置Ｃは、ヒートポンプＡと、不凍液３２によって食肉や鮮魚等の被冷凍物を凍結させる凍結槽３１とからなり、蒸発器１は凍結槽３１の槽内に配置されている。なお被冷凍物は予め真空パックにしておくとよい。

【0024】

不凍液３２は、特段の制限はないが、その液温として摂氏マイナス４０度以下の運用を前提とすればエチルアルコールやエチレングリコール等を主成分としたものが適している。

【0025】

凍結槽３１は、堅牢な槽であって、ステンレス等の板金と、樹脂板と、樹脂やセラミック等の断熱材とからなる。凍結槽３１の容積は特に制限されず、被冷凍物のサイズ等によって数立米〜数百立米が可能である。

【0026】

蒸発器１は、凍結槽３１の内周面に接触しないように配置されている。蒸発器１には複数のフィン（図示なし）を固着してもよい。蒸発器１の配置は特に制限されないが、蒸発器１によって冷却された不凍液３２が凍結槽３１の中で自然対流を生じるような配置が望ましい。

【0027】

前記のようにヒートポンプＡを作動させて蒸発器１における冷媒の温度を摂氏マイナス４５〜４６度にすると、不凍液３１の温度は摂氏マイナス４０度程になる。また蒸発器１における冷媒の温度を摂氏マイナス５５〜５６度にすると、不凍液３１の温度は摂氏マイナス５０度程になる。
不凍液３１の温度が摂氏マイナス４０〜５０度であれば、不凍液３１は空気に比べて比熱も熱伝導率も高いので、被冷凍物を急速凍結できる。その所要時間は１０〜３０分程度になると考えられる。被冷凍物を急速に凍結させればその組織の破壊が抑えられるので、解凍時にドリップがほとんど発生せず、また味覚、食感の劣化もごく僅かになる。

【0028】

更に、前記ヒートポンプを用いた冷凍庫の例を説明する。
図３は、凍結設備の基本構成図である。図１に共通する要素には同一の参照符号を付けている。

【0029】

冷凍庫Ｄは、ヒートポンプＡと、冷気によって食肉や鮮魚等の被冷凍物を冷凍する収納庫４１とからなり、蒸発器１は収納庫４１の室内に配置されている。蒸発器１の配置場所は特に制限されない。

【0030】

収納庫は、天井面、床面及び壁面が断熱壁で構成された倉庫であって、開閉自在な扉を有し（図示なし）、外気と同様の空気によって満たされている。

【0031】

蒸発器１は、基本的には銅、スチール或いはアルミ等の金属管で形成されており、金属管の壁面を介してその内部の冷媒と、冷凍庫４１内の空気とが熱交換できるようになっている。更に蒸発器１には複数のフィン１ａが固着されており、フィン１ａに空気を送るためのブロアー１ｂが付設されている。空気は、フィン１ａの間隙を通過している間に熱交換によって冷却されて冷気になる。この冷気によって被冷凍物を急速に冷凍して保存する。

【符号の説明】

【0032】

Ａ ヒートポンプ
Ｂ 調圧制御手段
Ｃ 凍結装置
Ｄ 冷凍庫
１ 蒸発器
２ 圧縮機
３ 凝縮器
１４ 管路
１５ バイパス路
１６ 圧力調節弁
３１ 凍結槽
４１ 冷凍庫

【要約】

【課題】ヒートポンプ内のオイル切れを起こすことなく、冷凍設備の不凍液を−４０℃以下の超低温度域まで急速冷却できる冷凍設備用ヒートポンプと、これを用いた急速液体凍結装置を提供する。
【解決手段】冷凍設備用ヒートポンプは、冷媒の循環路として蒸発器と圧縮機と凝集器とが管路によって接続され、蒸発器で冷却した熱を凝縮器で放熱させる構成とされ、調圧・バイパス制御手段を設けることで、蒸発器から圧縮機に送られる冷媒の圧力が低下したときに、圧力低下を補償する構成にしている。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】