冷凍システム及び冷凍システムの運転方法
【課題】本発明の目的は、空気冷媒冷凍機内へ湿分が持ち込まれることが防がれる冷凍システム及びその運転方法を提供することである。
【解決手段】冷凍システムは、予冷室（２ａ）と主冷凍室（２ｂ）とに仕切られた冷凍室（２）と、冷凍対象物（１１）が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤ（４）と、液体窒素を前記予冷室内に供給する液体窒素供給装置（５）と、空気冷媒冷凍機（１２）とを具備する。前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成されている。予冷室において冷凍対象物の表面部分を凍結させることにより、冷凍対象物からの湿分が空気冷媒冷凍機内に持ち込まれることが防がれる。
【解決手段】冷凍システムは、予冷室（２ａ）と主冷凍室（２ｂ）とに仕切られた冷凍室（２）と、冷凍対象物（１１）が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤ（４）と、液体窒素を前記予冷室内に供給する液体窒素供給装置（５）と、空気冷媒冷凍機（１２）とを具備する。前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成されている。予冷室において冷凍対象物の表面部分を凍結させることにより、冷凍対象物からの湿分が空気冷媒冷凍機内に持ち込まれることが防がれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍システム及びその運転方法に関し、特に空気冷媒冷凍機を備えた冷凍システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品の凍結保存方法の一つとして、最初に超低温で食品の表面部分に氷のカプセルを作り、次に凍結温度を上げて食品の表面部分及び中心部分の温度を均衡させ、その後再び急速凍結により食品全体を凍結させてから、凍結保存温度に移行する方法が知られている。
【０００３】
特許文献１は、上述した凍結保存方法を実施することができる食品の凍結装置を開示している。この凍結装置は、冷凍すべき食品を搬送するコンベヤを囲む冷凍室を備える。この冷凍室内に、入口側から出口側に向かって、液化ガスによる第１冷凍ステージ、冷凍サイクルによる第２冷凍ステージ、液化ガスによる第３冷凍ステージ、冷凍サイクルによる第４冷凍ステージが設けられている。第１及び第３ステージにおいては、液化ガスを噴霧することで−５０℃〜−９０℃の雰囲気がつくられる。第２及び第４ステージにおいては、冷凍サイクルにより−２０℃〜−４５℃の雰囲気がつくられる。第２及び第４ステージにおいては、冷凍サイクルの蒸発器がコンベヤの両側に設けられている。これらの蒸発器において、冷媒と雰囲気との間で熱交換が行われる。
【０００４】
特許文献１には、各ステージにおける雰囲気の温度について以下のように記載されている。第１ステージにおける雰囲気の温度が−５０℃より高いと食品の表面部分に氷のカプセルを作るために必要な急速凍結ができず、−９０℃より低いと食品の表面にクラックが生じやすくなり、かつ蛋白変性が起こりやすくなる。第２ステージにおける雰囲気の温度が−２０℃より高いと次の急速凍結に支障が生じ、−４５℃より低いと食品の中心部分と表面部分の温度差を縮める作用が得られずに食品にクラックが発生するおそれがある。第３ステージにおける雰囲気の温度が−５０度より高いと最大氷結晶生成温度帯を通過させるのに時間がかかるために微細な氷結晶が得られず、−９０℃より低いと食品の表面にクラックが生じやすくなり、かつ蛋白変性が起こりやすくなる。第４ステージにおいては、前段のステージで凍結された食品が深凍結される。このとき食品は既に最大氷結晶生成温度帯を下まわる温度となっているため、比較的緩慢な冷却で十分である。それでも雰囲気の温度が−２０℃より高いとこの深凍結に時間がかかり過ぎ、−４５℃より低いと食品にクラックが発生するおそれがある。
【０００５】
一方、特許文献２には、空気冷媒冷凍機が開示されている。この空気冷媒冷凍機は、冷凍室内の空気を効率的に冷却することが可能である。しかし、空気冷媒冷凍機の備えるコンプレッサ、熱交換器及び膨張タービンを冷凍室内の空気が循環するため、空気に多量の湿分が含まれている場合にはデフロストを頻繁に行う必要がある。
【０００６】
【特許文献１】実開平５−５３４９１号公報
【特許文献２】特開２００２−３１０５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、空気冷媒冷凍機内へ湿分が持ち込まれることが防がれる冷凍システム及びその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下に、（発明を実施するための最良の形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための最良の形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００９】
本発明による冷凍システムは、予冷室（２ａ）と主冷凍室（２ｂ）とに仕切られた冷凍室（２）と、冷凍対象物（１１）が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤ（４）と、液体窒素を前記予冷室内に供給する液体窒素供給装置（５）と、空気冷媒冷凍機（１２）とを具備する。前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成されている。
【００１０】
外気が流入しやすいコンベヤ式冷凍装置に空気冷媒式冷凍機を適用すると、空気冷媒式冷凍機内への湿分の持ち込みが問題となる。本発明によれば、予冷室において冷凍対象物の表面部分を凍結させることにより、冷凍対象物からの湿分が空気冷媒冷凍機内に持ち込まれることが防がれる。
【００１１】
本発明における冷凍システムにおいては、前記液体窒素供給装置は、液体窒素を前記予冷室内に噴き出すように構成されていることが好ましい。
【００１２】
本発明による冷凍システムは、前記空気冷媒冷凍機と前記主冷凍室とを接続する排冷風回収ダクト（１３）と、前記空気冷媒冷凍機と前記主冷凍室とを接続する冷風供給ダクト（２５）とを具備しすることが好ましい。前記コンベヤは、前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口（２ｄ）から前記冷凍対象物を前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口（２ｅ）から搬出するように設けられることが好ましい。前記排冷風回収ダクトの排冷風回収口（１３ａ）が前記主冷凍室内の前記出口側に配置されていることが好ましい。前記冷風供給ダクトの冷風供給口（２５ａ）が前記主冷凍室内の前記接続口側に配置されていることが好ましい。前記空気冷媒冷凍機は、前記排冷風回収口から前記主冷凍室内の空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を前記膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記冷風供給口から前記主冷凍室内に戻すように構成されていることが好ましい。
【００１３】
本発明による冷凍システムは、シート（７）を具備することが好ましい。前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口（２ｄ）から前記主冷凍室内に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられていることが好ましい。前記シートは、前記接続口を部分的に塞ぐことが可能なように設けられていることが好ましい。
【００１４】
本発明による冷凍システムは、前記シートを巻き取るための巻き取り装置（８）を具備することが好ましい。
【００１５】
本発明による冷凍システムは、前記主冷凍室内の温度を検出する温度センサ（１０）と、制御装置（３０）とを具備することが好ましい。前記制御装置は、前記巻き取り装置が前記シートを巻き取った状態にあるとき、前記液体窒素供給装置に液体窒素を噴き出すことを開始させ、且つ、前記空気冷媒冷凍機に運転を開始させることが好ましい。前記制御装置は、前記温度が所定の温度より低下したことに基づいて前記巻き取り装置に前記シートを巻き戻させることが好ましい。
【００１６】
本発明による冷凍システムは、前記予冷室内の温度を検出する温度センサ（９）と、前記温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように前記液体窒素供給装置が噴き出す液体窒素の量を制御する制御装置（３）とを具備することが好ましい。
【００１７】
本発明による冷凍システムの運転方法においては、前記冷凍システムは、予冷室（２ａ）と主冷凍室（２ｂ）とに仕切られた冷凍室（２）と、冷凍対象物（１１）が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤ（４）と、空気冷媒冷凍機（１２）とを具備する。前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成されている。前記冷凍システムの運転方法は、前記予冷室内に液体窒素を供給しながら、前記空気冷媒冷凍機を運転する工程を具備する。
【００１８】
本発明による冷凍システムの運転方法においては、前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記予冷室内に液体窒素を噴き出しながら、前記空気冷媒冷凍機を運転することが好ましい。
【００１９】
本発明による冷凍システムの運転方法においては、前記冷凍システムは、シート（７）を具備することが好ましい。前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口（２ｄ）から前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口（２ｅ）から搬出するように設けられていることが好ましい。前記シートは、前記接続口を部分的に塞ぐことが可能なように設けられていることが好ましい。前記冷凍システムの運転方法は、前記シートが前記接続口の比較的小さい部分を塞いでいる状態のときに、前記予冷室内に液体窒素を噴き出すことを開始し、且つ、前記空気冷媒冷凍機の運転を開始する開始工程と、前記主冷凍室内の温度が所定の温度より低下したことに基づいて前記シートで前記接続口の比較的大きい部分を塞ぐ工程とを具備することが好ましい。
【００２０】
本発明による冷凍システムの運転方法の前記開始工程においては、前記予冷室内に液体窒素を噴き出すことが開始された後に前記空気冷媒冷凍機の運転が開始されることが好ましい。
【００２１】
本発明による冷凍システムの運転方法においては、前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口（２ｄ）から前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口（２ｅ）から搬出するように設けられていることが好ましい。前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内の前記出口側から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を前記膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内の前記接続口側に戻すことが好ましい。
【００２２】
本発明による冷凍システムの運転方法の前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記予冷室内の温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように前記予冷室内に噴き出す液体窒素の量が制御されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、空気冷媒冷凍機内へ湿分が持ち込まれることが防がれる冷凍システム及びその運転方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
添付図面を参照して、本発明による冷凍システム及び冷凍システムの運転方法を実施するための最良の形態を以下に説明する。
【００２５】
（冷凍システムの構成）
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍システム１の全体図を示している。冷凍システム１は、予冷室２ａにおいて液体窒素を用いて冷凍対象物１１の表面部分だけを凍結した後、主冷凍室２ｂにおいて空気冷媒冷凍機１２を用いて中心部分まで凍結する。冷凍システム１は、冷凍室２と、コンベヤ４と、液体窒素供給装置５と、シート７と、巻き取り装置８と、温度センサ９と、温度センサ１０と、空気冷媒冷凍機１２と、排冷風回収ダクト１３と、冷風供給ダクト２５と、後述する制御装置３０とを備えている。冷凍室２は、予冷室２ａと主冷凍室２ｂとに仕切られている。予冷室２ａには入口２ｃが設けられている。予冷室２ａと主冷凍室２ｂとを接続する接続口２ｄが設けられている。主冷凍室２ｂには出口２ｅが設けられている。コンベヤ４（例示：ベルトコンベヤ）は、冷凍対象物１１が入口２ｃから予冷室２ａに入り、予冷室２ａを通過して接続口２ｄから主冷凍室２ｂに入り、主冷凍室２ｂを通過して出口２ｅから出るように冷凍対象物１１を搬送する。液体窒素供給装置５は、液体窒素を予冷室２ａ内に噴き出す。温度センサ９は、予冷室２ａ内の温度を検出する。排冷風回収ダクト１３は、主冷凍室２ｂと空気冷媒冷凍機１２とを接続している。冷風供給ダクト２５は、主冷凍室２ｂと空気冷媒冷凍機１２とを接続している。空気冷媒冷凍機１２は、排冷風回収ダクト１３の排冷風回収口１３ａから主冷凍室２ｂ内の空気を取り込み、取り込んだ空気を冷却し、冷却した空気を冷風供給ダクト２５の冷風供給口２５ａから主冷凍室２ｂ内に戻す。温度センサ１０は、主冷凍室２ｂ内の温度を検出する。シート７は、接続口２ｄを部分的に塞ぐことが可能なように設けられている。ここで、接続口２ｄを部分的に塞ぐとは、コンベヤ４が冷凍対象物１１を搬送することが可能なように塞ぐことを意味する。巻き取り装置８は、図２に示されるように、シート７が取り付けられたローラを正逆方向に回転してシート７を巻き取り、巻き戻す。巻き取られた状態のシート７は接続口２ｄの比較的小さい部分を塞ぐ。巻き戻された状態のシート７は接続口２ｄの比較的大きい部分を塞ぐ。シート７を巻き取り巻き戻すことにより予冷室２ａと主冷凍室２ｂとの間のガスの移動及びそれに伴なう熱移動が調節される。
【００２６】
図３は、空気冷媒冷凍機１２のシステム線図を示している。図３においては、圧力は全て絶対圧力で示されている。空気冷媒冷凍機１２は、主冷凍室出口側弁１４と、第１配管１５と、コンプレッサ１６と、モータ１７と、膨張タービン１８と、冷却用ラジエータ２０と、冷却ファン２１と、第２配管２２と、第３配管２３と、主冷凍室入口側弁２４と、第１熱交換器２６と、排熱回収熱交換器２７と、除霜器２８と、デフロストライン２９とを備えている。コンプレッサ１６と、モータ１７と、膨張タービン１８とは、一軸のタービンユニット１９を形成している。コンプレッサ１６及び膨張タービン１８は、モータ１７によって駆動される。コンプレッサ１６はモータ１７の回転子の一方側に設けられ、膨張タービン１８は回転子の他方側に設けられている。モータ１７は、磁気軸受１７ａで回転子を支持することにより、オイルフリーを実現している。モータ１７は、冷却用ラジエータ２０及び冷却ファン２１により冷却される。主冷凍室出口側弁１４は、３つのポート１４ａ〜１４ｃを備えた三方弁である。主冷凍室入口側弁２４は、２つのポート２４ａ及び２４ｂを備えたニ方弁である。排冷風回収ダクト１３は、排冷風回収口１３ａの反対側がポート１４ａに接続されている。第１配管１５は、ポート１４ｂとコンプレッサ１６の入口とを接続している。第２配管２２は、コンプレッサ１６の出口と膨張タービン１８の入口とを接続している。第３配管２３は、膨張タービン１８の出口とポート２４ａとを接続している。冷風供給ダクト２５は、冷風供給口２５ａの反対側がポート２４ｂに接続されている。第１熱交換器２６は第２配管２２に設けられている。排熱回収熱交換器２７は、第２配管２２の第１熱交換器２６より下流側の部分と第１配管１５とにまたがって設けられている。つまり、第１熱交換器２６は第２配管２２のコンプレッサ１６側（上流側）に配置され、排熱回収熱交換器２７は第２配管２２の膨張タービン１８側（下流側）に配置されている。除霜器２８は第３配管２３に設けられている。デフロストライン２９は、第３配管２３の除霜器２８と主冷凍室入口側弁２４との間の部分とポート１４ｃとを接続している。デフロストライン２９は、空気冷媒冷凍機１２のデフロストの際に使用される。
【００２７】
冷凍システム１においては、主冷凍室２ｂ内の空気が空気冷媒冷凍機１２の冷凍サイクルにより直接冷却されるから、フロン冷媒を用いた冷凍サイクルにより主冷凍室２ｂ内の空気を冷却するときのように熱交換器（蒸発器）を主冷凍室２ｂ内に設ける必要がない。そのため、主冷凍室２ｂの小型化が容易である。
【００２８】
また、排冷風回収ダクト１３内にフィルタを設けると、冷凍システム１のメンテナンス性が向上する。
【００２９】
図４は、冷凍システム１の制御系を示している。温度センサ９は、予冷室２ａ内の温度を検出して制御装置３０に入力する。温度センサ１０は、主冷凍室２ｂ内の温度を検出して制御装置３０に入力する。制御装置３０は、コンベヤ４、液体窒素供給装置５、巻き取り装置８及び空気冷媒冷凍機１２の各々を制御する。
【００３０】
（冷凍システムの運転方法）
はじめに、冷凍運転時の冷凍システム１の運転方法について説明する。シート７は、巻き取り装置８によって巻き戻された状態であり、接続口２ｄの比較的大きい部分を塞いでいる。冷凍対象物１１は、コンベヤ４によって搬送され、入口２ｃから冷凍室２に入り、予冷室２ａ、接続口２ｄ、主冷凍室２ｂを順に通過して出口２ｅから冷凍室２の外に出る。このとき、冷凍対象物１１は、予冷室２ａにおいて液体窒素により表面部分が凍結される。それから冷凍対象物１１は、主冷凍室２ｂにおいて中心部分まで凍結される。冷凍対象物１１は表面部分が凍結された状態で主冷凍室２ｂに搬入されるため、冷凍対象物１１の湿分が雰囲気に移動して空気冷媒冷凍機１２に持ち込まれることが防がれる。冷凍運転により、初期温度２０℃の冷凍対象物１１は、凍結されて−６０℃になる。
【００３１】
図３に示されるように、主冷凍室２ｂから排冷風回収ダクト１３を経由して空気冷媒冷凍機１２に取り込まれた空気は、温度が−６０℃、圧力（絶対圧、以下同じ）が０．１ＭＰａである。この空気は、第１配管１５を経由してコンプレッサ１６に流入する途中、排熱回収熱交換器２７において第２配管２２を流れる空気との間で熱交換され、温度が２９℃、圧力が０．１ＭＰａになる。その後、この空気は、コンプレッサ１６において断熱圧縮され、温度が１１４℃、圧力が０．２ＭＰａになる。その後、この空気は、第２配管２２を経由して膨張タービン１８に流入する途中、第１熱交換器２６において熱媒体（例示：水）との間で熱交換され、次いで排熱回収熱交換器２７において第１配管１５を流れる空気との間で熱交換される。空気は第１熱交換器２６を通過するときに冷却され、温度及び圧力が３７℃及び０．２ＭＰａになる。空気は排熱回収熱交換器２７を通過するときに冷却され、温度及び圧力が−５２℃及び０．２ＭＰａになる。その後、空気は、膨張タービン１８において断熱膨張され、除霜器２８において霜が取り除かれた後、冷風供給ダクト２５を経由して主冷凍室２ｂ内に戻される。このときの空気は、温度が−８５℃、圧力が０．１ＭＰａである。
【００３２】
上述したように、冷凍対象物１１は、表面部分が凍結された状態で主冷凍室２ｂに搬入される。したがって、冷凍対象物１１の湿分が雰囲気中に移動し、雰囲気とともに空気冷媒冷凍機１２に持ち込まれることが防がれる。よって、空気冷媒冷凍機１２のデフロストを頻繁に行う必要がなくなる。また、湿分が氷塊を形成すると、この氷塊により膨張タービン１８のタービン羽根が損傷を受ける場合がおこり得る。タービン羽根の交換中は空気冷媒冷凍機１２が長期間に渡って使用できなくなるから、湿分が空気冷媒冷凍機１２へ持ち込まれることを防ぐことは重要である。空気冷媒冷凍機１２は、−８５℃という非常に温度の低い冷風を主冷凍室２ｂ内に供給することが可能である。空気冷媒冷凍機１２内で霜や氷塊が形成されることを防ぐためには、冷凍対象物１１の表面部分の温度を非常に低くする必要がある。したがって、制御装置３０は、温度センサ９の検出する予冷室２ａ内の温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように液体窒素供給装置５が予冷室２ａ内に噴き出す液体窒素の量を制御することが好ましい。なお、液体窒素は、液体状態のまま冷凍対象物１１にかけられてもよく、気体状態で冷凍対象物１１に吹き付けられてもよい。
【００３３】
また、制御装置３０は、予冷室内２ａに噴き出された液体窒素が気化した窒素ガスが接続口２ｄから主冷凍室２ｂ内に流入して主冷凍室２ｂ内の圧力を高めるように、液体窒素供給装置５が噴き出す液体窒素の量を制御することが好ましい。この場合、湿分を含んだ空気が出口２ｅから主冷凍室２ｂ内に流入することが防がれる。
【００３４】
ここで、接続口２ｄから低温の窒素ガスが流入するから、主冷凍室２ｂ内は接続口２ｄ側の温度が低くなる。したがって、排冷風回収口１３ａが主冷凍室２ｂ内の出口２ｅ側に配置され、冷風供給口２５ａが主冷凍室２ｂ内の接続口２ｄ側に配置されていることが好ましい。空気冷媒冷凍機１２が比較的温度の高い出口２ｅ側から空気を取り込むことで、主冷凍室２ｂ内の空気が効率的に冷却される。
【００３５】
なお、排冷風回収口１３ａを接続口２ｄ側に配置し、冷風供給口２５ａを出口２ｅ側に配置することも可能である。この場合、冷風供給口２５ａから排冷風回収口１３ａへと主冷凍室２ｂ内を流れる空気が冷凍対象物１１に対して対向流となるため、空気と冷凍対象物１１との間の熱交換が効率化される。
【００３６】
初期温度２０℃のマグロのさくを冷凍システム１により凍結して−６０℃にする場合についての熱計算結果によると、コンベヤ４の搬送速度が１．１ｍ／ｓ、予冷室２ａの通過時間が１分、主冷凍室２ｂの通過時間が２５分、液体窒素供給装置５の出力が３ｋＷ、空気冷媒冷凍機１２の出力が３０ｋＷとなった。ここで、マグロのさくのサイズとして２００×８０×２０ｍｍ、質量として３２０ｇ／個、比熱として０．４１ｋｃａｌ／（ｋｇ・Ｋ）、表面熱伝達率として８Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、処理量として４００ｋｇ／ｈ（１２５０個／ｈ）をそれぞれ用いた。冷凍システム１においては、液体窒素のみを用いて凍結する場合に比べてランニングコストが低減される。
【００３７】
次に、停止状態からの立上げ時における冷凍システム１の運転方法について説明する。停止状態においては、コンベヤ４は停止している。シート７は、巻き取り装置８によって巻き取られ、接続口２ｄの比較的小さい部分を塞いでいる。液体窒素供給装置５は、予冷室２ａ内に液体窒素を噴き出していない。空気冷媒冷凍機１２は、停止している。
【００３８】
制御装置３０は、液体窒素供給装置５に液体窒素を噴き出すことを開始させ、空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させる。このとき、予冷室２ａは、液体窒素により冷却され、主冷凍室２ｂは、液体窒素が気化した低温の窒素ガスが接続口２ｄから流入することにより、及び、空気冷媒冷凍機１２が行う冷凍サイクルにより冷却される。
【００３９】
制御装置３０は、温度センサ９及び１０のいずれか一方又は両方が検出する温度が所定の温度（例示：−９０℃）より低下したことに基づいて、巻き取り装置８にシート７を巻き戻させる。シート７は、巻き戻された状態においては、接続口２ｄの比較的大きな部分を塞いでいる。
【００４０】
制御装置３０は、巻き取り装置８にシート７を巻き戻させた後、コンベヤ４に運転を開始させる。これにより、冷凍システム１は冷凍運転状態となる。
【００４１】
ここで、液体窒素供給装置５に液体窒素を噴き出すことを開始させるタイミングと空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させるタイミングとを一致させると、冷凍システム１全体が短時間で冷却される。空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させるタイミングを遅らせると、気化した窒素ガスにより主冷凍室２ｂ内の空気が追い出されるため、立上げ時において空気冷媒冷凍機１２に湿分が持ち込まれることが防がれる。なお、制御装置３０は、液体窒素を噴き出すことを開始させてから所定の時間の経過後に空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させてもよく、液体窒素を噴き出すことを開始させた後、温度センサ１０が検出する温度が所定の温度より低下したことに基づいて空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させてもよい。
【００４２】
なお、予冷室２ａ内に液体窒素槽が設けられ、そこに液体窒素が液体窒素供給装置５によって供給されてもよい。この場合、コンベヤ４は、冷凍対象物１１が液体窒素槽内を通過するように冷凍対象物１１を搬送する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る冷凍システムの全体図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る冷凍システムの部分拡大図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る冷凍システムが備える空気冷媒冷凍機のシステム線図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る冷凍システムの制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…冷凍システム
２…冷凍室
２ａ…予冷室
２ｂ…主冷凍室
２ｃ…入口
２ｄ…接続口
２ｅ…出口
４…コンベヤ
５…液体窒素供給装置
７…シート
８…巻き取り装置
９、１０…温度センサ
１１…冷凍対象物
１２…空気冷媒冷凍機
１３…排冷風回収ダクト
１３ａ…排冷風回収口
１４…主冷凍室出口側弁
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…ポート
１５…第１配管
１６…コンプレッサ
１７…モータ
１７ａ…磁気軸受
１８…膨張タービン
１９…タービンユニット
２０…冷却用ラジエータ
２１…冷却ファン
２２…第２配管
２３…第３配管
２４…主冷凍室入口側弁
２４ａ、２４ｂ…ポート
２５…冷風供給ダクト
２５ａ…冷風供給口
２６…第１熱交換器
２７…排熱回収熱交換器
２８…除霜器
２９…デフロストライン
３０…制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍システム及びその運転方法に関し、特に空気冷媒冷凍機を備えた冷凍システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品の凍結保存方法の一つとして、最初に超低温で食品の表面部分に氷のカプセルを作り、次に凍結温度を上げて食品の表面部分及び中心部分の温度を均衡させ、その後再び急速凍結により食品全体を凍結させてから、凍結保存温度に移行する方法が知られている。
【０００３】
特許文献１は、上述した凍結保存方法を実施することができる食品の凍結装置を開示している。この凍結装置は、冷凍すべき食品を搬送するコンベヤを囲む冷凍室を備える。この冷凍室内に、入口側から出口側に向かって、液化ガスによる第１冷凍ステージ、冷凍サイクルによる第２冷凍ステージ、液化ガスによる第３冷凍ステージ、冷凍サイクルによる第４冷凍ステージが設けられている。第１及び第３ステージにおいては、液化ガスを噴霧することで−５０℃〜−９０℃の雰囲気がつくられる。第２及び第４ステージにおいては、冷凍サイクルにより−２０℃〜−４５℃の雰囲気がつくられる。第２及び第４ステージにおいては、冷凍サイクルの蒸発器がコンベヤの両側に設けられている。これらの蒸発器において、冷媒と雰囲気との間で熱交換が行われる。
【０００４】
特許文献１には、各ステージにおける雰囲気の温度について以下のように記載されている。第１ステージにおける雰囲気の温度が−５０℃より高いと食品の表面部分に氷のカプセルを作るために必要な急速凍結ができず、−９０℃より低いと食品の表面にクラックが生じやすくなり、かつ蛋白変性が起こりやすくなる。第２ステージにおける雰囲気の温度が−２０℃より高いと次の急速凍結に支障が生じ、−４５℃より低いと食品の中心部分と表面部分の温度差を縮める作用が得られずに食品にクラックが発生するおそれがある。第３ステージにおける雰囲気の温度が−５０度より高いと最大氷結晶生成温度帯を通過させるのに時間がかかるために微細な氷結晶が得られず、−９０℃より低いと食品の表面にクラックが生じやすくなり、かつ蛋白変性が起こりやすくなる。第４ステージにおいては、前段のステージで凍結された食品が深凍結される。このとき食品は既に最大氷結晶生成温度帯を下まわる温度となっているため、比較的緩慢な冷却で十分である。それでも雰囲気の温度が−２０℃より高いとこの深凍結に時間がかかり過ぎ、−４５℃より低いと食品にクラックが発生するおそれがある。
【０００５】
一方、特許文献２には、空気冷媒冷凍機が開示されている。この空気冷媒冷凍機は、冷凍室内の空気を効率的に冷却することが可能である。しかし、空気冷媒冷凍機の備えるコンプレッサ、熱交換器及び膨張タービンを冷凍室内の空気が循環するため、空気に多量の湿分が含まれている場合にはデフロストを頻繁に行う必要がある。
【０００６】
【特許文献１】実開平５−５３４９１号公報
【特許文献２】特開２００２−３１０５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、空気冷媒冷凍機内へ湿分が持ち込まれることが防がれる冷凍システム及びその運転方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下に、（発明を実施するための最良の形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための最良の形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【０００９】
本発明による冷凍システムは、予冷室（２ａ）と主冷凍室（２ｂ）とに仕切られた冷凍室（２）と、冷凍対象物（１１）が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤ（４）と、液体窒素を前記予冷室内に供給する液体窒素供給装置（５）と、空気冷媒冷凍機（１２）とを具備する。前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成されている。
【００１０】
外気が流入しやすいコンベヤ式冷凍装置に空気冷媒式冷凍機を適用すると、空気冷媒式冷凍機内への湿分の持ち込みが問題となる。本発明によれば、予冷室において冷凍対象物の表面部分を凍結させることにより、冷凍対象物からの湿分が空気冷媒冷凍機内に持ち込まれることが防がれる。
【００１１】
本発明における冷凍システムにおいては、前記液体窒素供給装置は、液体窒素を前記予冷室内に噴き出すように構成されていることが好ましい。
【００１２】
本発明による冷凍システムは、前記空気冷媒冷凍機と前記主冷凍室とを接続する排冷風回収ダクト（１３）と、前記空気冷媒冷凍機と前記主冷凍室とを接続する冷風供給ダクト（２５）とを具備しすることが好ましい。前記コンベヤは、前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口（２ｄ）から前記冷凍対象物を前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口（２ｅ）から搬出するように設けられることが好ましい。前記排冷風回収ダクトの排冷風回収口（１３ａ）が前記主冷凍室内の前記出口側に配置されていることが好ましい。前記冷風供給ダクトの冷風供給口（２５ａ）が前記主冷凍室内の前記接続口側に配置されていることが好ましい。前記空気冷媒冷凍機は、前記排冷風回収口から前記主冷凍室内の空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を前記膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記冷風供給口から前記主冷凍室内に戻すように構成されていることが好ましい。
【００１３】
本発明による冷凍システムは、シート（７）を具備することが好ましい。前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口（２ｄ）から前記主冷凍室内に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられていることが好ましい。前記シートは、前記接続口を部分的に塞ぐことが可能なように設けられていることが好ましい。
【００１４】
本発明による冷凍システムは、前記シートを巻き取るための巻き取り装置（８）を具備することが好ましい。
【００１５】
本発明による冷凍システムは、前記主冷凍室内の温度を検出する温度センサ（１０）と、制御装置（３０）とを具備することが好ましい。前記制御装置は、前記巻き取り装置が前記シートを巻き取った状態にあるとき、前記液体窒素供給装置に液体窒素を噴き出すことを開始させ、且つ、前記空気冷媒冷凍機に運転を開始させることが好ましい。前記制御装置は、前記温度が所定の温度より低下したことに基づいて前記巻き取り装置に前記シートを巻き戻させることが好ましい。
【００１６】
本発明による冷凍システムは、前記予冷室内の温度を検出する温度センサ（９）と、前記温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように前記液体窒素供給装置が噴き出す液体窒素の量を制御する制御装置（３）とを具備することが好ましい。
【００１７】
本発明による冷凍システムの運転方法においては、前記冷凍システムは、予冷室（２ａ）と主冷凍室（２ｂ）とに仕切られた冷凍室（２）と、冷凍対象物（１１）が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤ（４）と、空気冷媒冷凍機（１２）とを具備する。前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成されている。前記冷凍システムの運転方法は、前記予冷室内に液体窒素を供給しながら、前記空気冷媒冷凍機を運転する工程を具備する。
【００１８】
本発明による冷凍システムの運転方法においては、前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記予冷室内に液体窒素を噴き出しながら、前記空気冷媒冷凍機を運転することが好ましい。
【００１９】
本発明による冷凍システムの運転方法においては、前記冷凍システムは、シート（７）を具備することが好ましい。前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口（２ｄ）から前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口（２ｅ）から搬出するように設けられていることが好ましい。前記シートは、前記接続口を部分的に塞ぐことが可能なように設けられていることが好ましい。前記冷凍システムの運転方法は、前記シートが前記接続口の比較的小さい部分を塞いでいる状態のときに、前記予冷室内に液体窒素を噴き出すことを開始し、且つ、前記空気冷媒冷凍機の運転を開始する開始工程と、前記主冷凍室内の温度が所定の温度より低下したことに基づいて前記シートで前記接続口の比較的大きい部分を塞ぐ工程とを具備することが好ましい。
【００２０】
本発明による冷凍システムの運転方法の前記開始工程においては、前記予冷室内に液体窒素を噴き出すことが開始された後に前記空気冷媒冷凍機の運転が開始されることが好ましい。
【００２１】
本発明による冷凍システムの運転方法においては、前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口（２ｄ）から前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口（２ｅ）から搬出するように設けられていることが好ましい。前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内の前記出口側から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を前記膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内の前記接続口側に戻すことが好ましい。
【００２２】
本発明による冷凍システムの運転方法の前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記予冷室内の温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように前記予冷室内に噴き出す液体窒素の量が制御されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、空気冷媒冷凍機内へ湿分が持ち込まれることが防がれる冷凍システム及びその運転方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
添付図面を参照して、本発明による冷凍システム及び冷凍システムの運転方法を実施するための最良の形態を以下に説明する。
【００２５】
（冷凍システムの構成）
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍システム１の全体図を示している。冷凍システム１は、予冷室２ａにおいて液体窒素を用いて冷凍対象物１１の表面部分だけを凍結した後、主冷凍室２ｂにおいて空気冷媒冷凍機１２を用いて中心部分まで凍結する。冷凍システム１は、冷凍室２と、コンベヤ４と、液体窒素供給装置５と、シート７と、巻き取り装置８と、温度センサ９と、温度センサ１０と、空気冷媒冷凍機１２と、排冷風回収ダクト１３と、冷風供給ダクト２５と、後述する制御装置３０とを備えている。冷凍室２は、予冷室２ａと主冷凍室２ｂとに仕切られている。予冷室２ａには入口２ｃが設けられている。予冷室２ａと主冷凍室２ｂとを接続する接続口２ｄが設けられている。主冷凍室２ｂには出口２ｅが設けられている。コンベヤ４（例示：ベルトコンベヤ）は、冷凍対象物１１が入口２ｃから予冷室２ａに入り、予冷室２ａを通過して接続口２ｄから主冷凍室２ｂに入り、主冷凍室２ｂを通過して出口２ｅから出るように冷凍対象物１１を搬送する。液体窒素供給装置５は、液体窒素を予冷室２ａ内に噴き出す。温度センサ９は、予冷室２ａ内の温度を検出する。排冷風回収ダクト１３は、主冷凍室２ｂと空気冷媒冷凍機１２とを接続している。冷風供給ダクト２５は、主冷凍室２ｂと空気冷媒冷凍機１２とを接続している。空気冷媒冷凍機１２は、排冷風回収ダクト１３の排冷風回収口１３ａから主冷凍室２ｂ内の空気を取り込み、取り込んだ空気を冷却し、冷却した空気を冷風供給ダクト２５の冷風供給口２５ａから主冷凍室２ｂ内に戻す。温度センサ１０は、主冷凍室２ｂ内の温度を検出する。シート７は、接続口２ｄを部分的に塞ぐことが可能なように設けられている。ここで、接続口２ｄを部分的に塞ぐとは、コンベヤ４が冷凍対象物１１を搬送することが可能なように塞ぐことを意味する。巻き取り装置８は、図２に示されるように、シート７が取り付けられたローラを正逆方向に回転してシート７を巻き取り、巻き戻す。巻き取られた状態のシート７は接続口２ｄの比較的小さい部分を塞ぐ。巻き戻された状態のシート７は接続口２ｄの比較的大きい部分を塞ぐ。シート７を巻き取り巻き戻すことにより予冷室２ａと主冷凍室２ｂとの間のガスの移動及びそれに伴なう熱移動が調節される。
【００２６】
図３は、空気冷媒冷凍機１２のシステム線図を示している。図３においては、圧力は全て絶対圧力で示されている。空気冷媒冷凍機１２は、主冷凍室出口側弁１４と、第１配管１５と、コンプレッサ１６と、モータ１７と、膨張タービン１８と、冷却用ラジエータ２０と、冷却ファン２１と、第２配管２２と、第３配管２３と、主冷凍室入口側弁２４と、第１熱交換器２６と、排熱回収熱交換器２７と、除霜器２８と、デフロストライン２９とを備えている。コンプレッサ１６と、モータ１７と、膨張タービン１８とは、一軸のタービンユニット１９を形成している。コンプレッサ１６及び膨張タービン１８は、モータ１７によって駆動される。コンプレッサ１６はモータ１７の回転子の一方側に設けられ、膨張タービン１８は回転子の他方側に設けられている。モータ１７は、磁気軸受１７ａで回転子を支持することにより、オイルフリーを実現している。モータ１７は、冷却用ラジエータ２０及び冷却ファン２１により冷却される。主冷凍室出口側弁１４は、３つのポート１４ａ〜１４ｃを備えた三方弁である。主冷凍室入口側弁２４は、２つのポート２４ａ及び２４ｂを備えたニ方弁である。排冷風回収ダクト１３は、排冷風回収口１３ａの反対側がポート１４ａに接続されている。第１配管１５は、ポート１４ｂとコンプレッサ１６の入口とを接続している。第２配管２２は、コンプレッサ１６の出口と膨張タービン１８の入口とを接続している。第３配管２３は、膨張タービン１８の出口とポート２４ａとを接続している。冷風供給ダクト２５は、冷風供給口２５ａの反対側がポート２４ｂに接続されている。第１熱交換器２６は第２配管２２に設けられている。排熱回収熱交換器２７は、第２配管２２の第１熱交換器２６より下流側の部分と第１配管１５とにまたがって設けられている。つまり、第１熱交換器２６は第２配管２２のコンプレッサ１６側（上流側）に配置され、排熱回収熱交換器２７は第２配管２２の膨張タービン１８側（下流側）に配置されている。除霜器２８は第３配管２３に設けられている。デフロストライン２９は、第３配管２３の除霜器２８と主冷凍室入口側弁２４との間の部分とポート１４ｃとを接続している。デフロストライン２９は、空気冷媒冷凍機１２のデフロストの際に使用される。
【００２７】
冷凍システム１においては、主冷凍室２ｂ内の空気が空気冷媒冷凍機１２の冷凍サイクルにより直接冷却されるから、フロン冷媒を用いた冷凍サイクルにより主冷凍室２ｂ内の空気を冷却するときのように熱交換器（蒸発器）を主冷凍室２ｂ内に設ける必要がない。そのため、主冷凍室２ｂの小型化が容易である。
【００２８】
また、排冷風回収ダクト１３内にフィルタを設けると、冷凍システム１のメンテナンス性が向上する。
【００２９】
図４は、冷凍システム１の制御系を示している。温度センサ９は、予冷室２ａ内の温度を検出して制御装置３０に入力する。温度センサ１０は、主冷凍室２ｂ内の温度を検出して制御装置３０に入力する。制御装置３０は、コンベヤ４、液体窒素供給装置５、巻き取り装置８及び空気冷媒冷凍機１２の各々を制御する。
【００３０】
（冷凍システムの運転方法）
はじめに、冷凍運転時の冷凍システム１の運転方法について説明する。シート７は、巻き取り装置８によって巻き戻された状態であり、接続口２ｄの比較的大きい部分を塞いでいる。冷凍対象物１１は、コンベヤ４によって搬送され、入口２ｃから冷凍室２に入り、予冷室２ａ、接続口２ｄ、主冷凍室２ｂを順に通過して出口２ｅから冷凍室２の外に出る。このとき、冷凍対象物１１は、予冷室２ａにおいて液体窒素により表面部分が凍結される。それから冷凍対象物１１は、主冷凍室２ｂにおいて中心部分まで凍結される。冷凍対象物１１は表面部分が凍結された状態で主冷凍室２ｂに搬入されるため、冷凍対象物１１の湿分が雰囲気に移動して空気冷媒冷凍機１２に持ち込まれることが防がれる。冷凍運転により、初期温度２０℃の冷凍対象物１１は、凍結されて−６０℃になる。
【００３１】
図３に示されるように、主冷凍室２ｂから排冷風回収ダクト１３を経由して空気冷媒冷凍機１２に取り込まれた空気は、温度が−６０℃、圧力（絶対圧、以下同じ）が０．１ＭＰａである。この空気は、第１配管１５を経由してコンプレッサ１６に流入する途中、排熱回収熱交換器２７において第２配管２２を流れる空気との間で熱交換され、温度が２９℃、圧力が０．１ＭＰａになる。その後、この空気は、コンプレッサ１６において断熱圧縮され、温度が１１４℃、圧力が０．２ＭＰａになる。その後、この空気は、第２配管２２を経由して膨張タービン１８に流入する途中、第１熱交換器２６において熱媒体（例示：水）との間で熱交換され、次いで排熱回収熱交換器２７において第１配管１５を流れる空気との間で熱交換される。空気は第１熱交換器２６を通過するときに冷却され、温度及び圧力が３７℃及び０．２ＭＰａになる。空気は排熱回収熱交換器２７を通過するときに冷却され、温度及び圧力が−５２℃及び０．２ＭＰａになる。その後、空気は、膨張タービン１８において断熱膨張され、除霜器２８において霜が取り除かれた後、冷風供給ダクト２５を経由して主冷凍室２ｂ内に戻される。このときの空気は、温度が−８５℃、圧力が０．１ＭＰａである。
【００３２】
上述したように、冷凍対象物１１は、表面部分が凍結された状態で主冷凍室２ｂに搬入される。したがって、冷凍対象物１１の湿分が雰囲気中に移動し、雰囲気とともに空気冷媒冷凍機１２に持ち込まれることが防がれる。よって、空気冷媒冷凍機１２のデフロストを頻繁に行う必要がなくなる。また、湿分が氷塊を形成すると、この氷塊により膨張タービン１８のタービン羽根が損傷を受ける場合がおこり得る。タービン羽根の交換中は空気冷媒冷凍機１２が長期間に渡って使用できなくなるから、湿分が空気冷媒冷凍機１２へ持ち込まれることを防ぐことは重要である。空気冷媒冷凍機１２は、−８５℃という非常に温度の低い冷風を主冷凍室２ｂ内に供給することが可能である。空気冷媒冷凍機１２内で霜や氷塊が形成されることを防ぐためには、冷凍対象物１１の表面部分の温度を非常に低くする必要がある。したがって、制御装置３０は、温度センサ９の検出する予冷室２ａ内の温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように液体窒素供給装置５が予冷室２ａ内に噴き出す液体窒素の量を制御することが好ましい。なお、液体窒素は、液体状態のまま冷凍対象物１１にかけられてもよく、気体状態で冷凍対象物１１に吹き付けられてもよい。
【００３３】
また、制御装置３０は、予冷室内２ａに噴き出された液体窒素が気化した窒素ガスが接続口２ｄから主冷凍室２ｂ内に流入して主冷凍室２ｂ内の圧力を高めるように、液体窒素供給装置５が噴き出す液体窒素の量を制御することが好ましい。この場合、湿分を含んだ空気が出口２ｅから主冷凍室２ｂ内に流入することが防がれる。
【００３４】
ここで、接続口２ｄから低温の窒素ガスが流入するから、主冷凍室２ｂ内は接続口２ｄ側の温度が低くなる。したがって、排冷風回収口１３ａが主冷凍室２ｂ内の出口２ｅ側に配置され、冷風供給口２５ａが主冷凍室２ｂ内の接続口２ｄ側に配置されていることが好ましい。空気冷媒冷凍機１２が比較的温度の高い出口２ｅ側から空気を取り込むことで、主冷凍室２ｂ内の空気が効率的に冷却される。
【００３５】
なお、排冷風回収口１３ａを接続口２ｄ側に配置し、冷風供給口２５ａを出口２ｅ側に配置することも可能である。この場合、冷風供給口２５ａから排冷風回収口１３ａへと主冷凍室２ｂ内を流れる空気が冷凍対象物１１に対して対向流となるため、空気と冷凍対象物１１との間の熱交換が効率化される。
【００３６】
初期温度２０℃のマグロのさくを冷凍システム１により凍結して−６０℃にする場合についての熱計算結果によると、コンベヤ４の搬送速度が１．１ｍ／ｓ、予冷室２ａの通過時間が１分、主冷凍室２ｂの通過時間が２５分、液体窒素供給装置５の出力が３ｋＷ、空気冷媒冷凍機１２の出力が３０ｋＷとなった。ここで、マグロのさくのサイズとして２００×８０×２０ｍｍ、質量として３２０ｇ／個、比熱として０．４１ｋｃａｌ／（ｋｇ・Ｋ）、表面熱伝達率として８Ｗ／（ｍ２・Ｋ）、処理量として４００ｋｇ／ｈ（１２５０個／ｈ）をそれぞれ用いた。冷凍システム１においては、液体窒素のみを用いて凍結する場合に比べてランニングコストが低減される。
【００３７】
次に、停止状態からの立上げ時における冷凍システム１の運転方法について説明する。停止状態においては、コンベヤ４は停止している。シート７は、巻き取り装置８によって巻き取られ、接続口２ｄの比較的小さい部分を塞いでいる。液体窒素供給装置５は、予冷室２ａ内に液体窒素を噴き出していない。空気冷媒冷凍機１２は、停止している。
【００３８】
制御装置３０は、液体窒素供給装置５に液体窒素を噴き出すことを開始させ、空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させる。このとき、予冷室２ａは、液体窒素により冷却され、主冷凍室２ｂは、液体窒素が気化した低温の窒素ガスが接続口２ｄから流入することにより、及び、空気冷媒冷凍機１２が行う冷凍サイクルにより冷却される。
【００３９】
制御装置３０は、温度センサ９及び１０のいずれか一方又は両方が検出する温度が所定の温度（例示：−９０℃）より低下したことに基づいて、巻き取り装置８にシート７を巻き戻させる。シート７は、巻き戻された状態においては、接続口２ｄの比較的大きな部分を塞いでいる。
【００４０】
制御装置３０は、巻き取り装置８にシート７を巻き戻させた後、コンベヤ４に運転を開始させる。これにより、冷凍システム１は冷凍運転状態となる。
【００４１】
ここで、液体窒素供給装置５に液体窒素を噴き出すことを開始させるタイミングと空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させるタイミングとを一致させると、冷凍システム１全体が短時間で冷却される。空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させるタイミングを遅らせると、気化した窒素ガスにより主冷凍室２ｂ内の空気が追い出されるため、立上げ時において空気冷媒冷凍機１２に湿分が持ち込まれることが防がれる。なお、制御装置３０は、液体窒素を噴き出すことを開始させてから所定の時間の経過後に空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させてもよく、液体窒素を噴き出すことを開始させた後、温度センサ１０が検出する温度が所定の温度より低下したことに基づいて空気冷媒冷凍機１２に運転を開始させてもよい。
【００４２】
なお、予冷室２ａ内に液体窒素槽が設けられ、そこに液体窒素が液体窒素供給装置５によって供給されてもよい。この場合、コンベヤ４は、冷凍対象物１１が液体窒素槽内を通過するように冷凍対象物１１を搬送する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る冷凍システムの全体図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る冷凍システムの部分拡大図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る冷凍システムが備える空気冷媒冷凍機のシステム線図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態に係る冷凍システムの制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…冷凍システム
２…冷凍室
２ａ…予冷室
２ｂ…主冷凍室
２ｃ…入口
２ｄ…接続口
２ｅ…出口
４…コンベヤ
５…液体窒素供給装置
７…シート
８…巻き取り装置
９、１０…温度センサ
１１…冷凍対象物
１２…空気冷媒冷凍機
１３…排冷風回収ダクト
１３ａ…排冷風回収口
１４…主冷凍室出口側弁
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…ポート
１５…第１配管
１６…コンプレッサ
１７…モータ
１７ａ…磁気軸受
１８…膨張タービン
１９…タービンユニット
２０…冷却用ラジエータ
２１…冷却ファン
２２…第２配管
２３…第３配管
２４…主冷凍室入口側弁
２４ａ、２４ｂ…ポート
２５…冷風供給ダクト
２５ａ…冷風供給口
２６…第１熱交換器
２７…排熱回収熱交換器
２８…除霜器
２９…デフロストライン
３０…制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予冷室と主冷凍室とに仕切られた冷凍室と、
冷凍対象物が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤと、
液体窒素を前記予冷室内に供給する液体窒素供給装置と、
空気冷媒冷凍機と
を具備し、
前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成された
冷凍システム。
【請求項２】
前記液体窒素供給装置は、液体窒素を前記予冷室内に噴き出すように構成された
請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記空気冷媒冷凍機と前記主冷凍室とを接続する排冷風回収ダクトと、
前記空気冷媒冷凍機と前記主冷凍室とを接続する冷風供給ダクトと
を具備し、
前記コンベヤは、前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口から前記冷凍対象物を前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられ、
前記排冷風回収ダクトの排冷風回収口が前記主冷凍室内の前記出口側に配置され、
前記冷風供給ダクトの冷風供給口が前記主冷凍室内の前記接続口側に配置され、
前記空気冷媒冷凍機は、前記排冷風回収口から前記主冷凍室内の空気を取り込み、膨張させた空気を前記冷風供給口から前記主冷凍室内に戻すように構成された
請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項４】
シートを具備し、
前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口から前記主冷凍室内に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられ、
前記シートは、前記接続口を部分的に塞ぐことが可能なように設けられた
請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記シートを巻き取るための巻き取り装置を具備する
請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記主冷凍室内の温度を検出する温度センサと、
制御装置とを具備し、
前記制御装置は、
前記巻き取り装置が前記シートを巻き取った状態にあるとき、前記液体窒素供給装置に液体窒素を噴き出すことを開始させ、且つ、前記空気冷媒冷凍機に運転を開始させ、
前記温度が所定の温度より低下したことに基づいて前記巻き取り装置に前記シートを巻き戻させる
請求項５に記載の冷凍システム。
【請求項７】
前記予冷室内の温度を検出する温度センサと、
前記温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように前記液体窒素供給装置が噴き出す液体窒素の量を制御する制御装置と
を具備する
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項８】
冷凍システムの運転方法であって、
前記冷凍システムは、
予冷室と主冷凍室とに仕切られた冷凍室と、
冷凍対象物が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤと、
空気冷媒冷凍機と
を具備し、
前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成され、
前記冷凍システムの運転方法は、
前記予冷室内に液体窒素を供給しながら、前記空気冷媒冷凍機を運転する工程を具備する
冷凍システムの運転方法。
【請求項９】
前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記予冷室内に液体窒素を噴き出しながら、前記空気冷媒冷凍機を運転する
請求項８に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１０】
前記冷凍システムは、シートを具備し、
前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口から前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられ、
前記シートは、前記接続口を部分的に塞ぐことが可能なように設けられ、
前記冷凍システムの運転方法は、
前記シートが前記接続口の比較的小さい部分を塞いでいる状態のときに、前記予冷室内に液体窒素を噴き出すことを開始し、且つ、前記空気冷媒冷凍機の運転を開始する開始工程と、
前記主冷凍室内の温度が所定の温度より低下したことに基づいて前記シートで前記接続口の比較的大きい部分を塞ぐ工程と
を具備する
請求項９に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１１】
前記開始工程においては、前記予冷室内に液体窒素を噴き出すことが開始された後に前記空気冷媒冷凍機の運転が開始される
請求項１０に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１２】
前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口から前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられ、
前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内の前記出口側から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を前記膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内の前記接続口側に戻す
請求項９に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１３】
前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記予冷室内の温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように前記予冷室内に噴き出す液体窒素の量が制御される
請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１】
予冷室と主冷凍室とに仕切られた冷凍室と、
冷凍対象物が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤと、
液体窒素を前記予冷室内に供給する液体窒素供給装置と、
空気冷媒冷凍機と
を具備し、
前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成された
冷凍システム。
【請求項２】
前記液体窒素供給装置は、液体窒素を前記予冷室内に噴き出すように構成された
請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記空気冷媒冷凍機と前記主冷凍室とを接続する排冷風回収ダクトと、
前記空気冷媒冷凍機と前記主冷凍室とを接続する冷風供給ダクトと
を具備し、
前記コンベヤは、前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口から前記冷凍対象物を前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられ、
前記排冷風回収ダクトの排冷風回収口が前記主冷凍室内の前記出口側に配置され、
前記冷風供給ダクトの冷風供給口が前記主冷凍室内の前記接続口側に配置され、
前記空気冷媒冷凍機は、前記排冷風回収口から前記主冷凍室内の空気を取り込み、膨張させた空気を前記冷風供給口から前記主冷凍室内に戻すように構成された
請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項４】
シートを具備し、
前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口から前記主冷凍室内に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられ、
前記シートは、前記接続口を部分的に塞ぐことが可能なように設けられた
請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記シートを巻き取るための巻き取り装置を具備する
請求項４に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記主冷凍室内の温度を検出する温度センサと、
制御装置とを具備し、
前記制御装置は、
前記巻き取り装置が前記シートを巻き取った状態にあるとき、前記液体窒素供給装置に液体窒素を噴き出すことを開始させ、且つ、前記空気冷媒冷凍機に運転を開始させ、
前記温度が所定の温度より低下したことに基づいて前記巻き取り装置に前記シートを巻き戻させる
請求項５に記載の冷凍システム。
【請求項７】
前記予冷室内の温度を検出する温度センサと、
前記温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように前記液体窒素供給装置が噴き出す液体窒素の量を制御する制御装置と
を具備する
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の冷凍システム。
【請求項８】
冷凍システムの運転方法であって、
前記冷凍システムは、
予冷室と主冷凍室とに仕切られた冷凍室と、
冷凍対象物が前記予冷室及び前記主冷凍室をこの順番に通過するように冷凍対象物を搬送するコンベヤと、
空気冷媒冷凍機と
を具備し、
前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内に戻すように構成され、
前記冷凍システムの運転方法は、
前記予冷室内に液体窒素を供給しながら、前記空気冷媒冷凍機を運転する工程を具備する
冷凍システムの運転方法。
【請求項９】
前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記予冷室内に液体窒素を噴き出しながら、前記空気冷媒冷凍機を運転する
請求項８に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１０】
前記冷凍システムは、シートを具備し、
前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口から前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられ、
前記シートは、前記接続口を部分的に塞ぐことが可能なように設けられ、
前記冷凍システムの運転方法は、
前記シートが前記接続口の比較的小さい部分を塞いでいる状態のときに、前記予冷室内に液体窒素を噴き出すことを開始し、且つ、前記空気冷媒冷凍機の運転を開始する開始工程と、
前記主冷凍室内の温度が所定の温度より低下したことに基づいて前記シートで前記接続口の比較的大きい部分を塞ぐ工程と
を具備する
請求項９に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１１】
前記開始工程においては、前記予冷室内に液体窒素を噴き出すことが開始された後に前記空気冷媒冷凍機の運転が開始される
請求項１０に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１２】
前記コンベヤは、冷凍対象物を前記予冷室と前記主冷凍室とを接続する接続口から前記主冷凍室に搬入し、前記主冷凍室に設けられた出口から搬出するように設けられ、
前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記空気冷媒冷凍機は、前記主冷凍室内の前記出口側から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した空気を冷却し、冷却した空気を前記膨張タービンにより膨張させ、膨張させた空気を前記主冷凍室内の前記接続口側に戻す
請求項９に記載の冷凍システムの運転方法。
【請求項１３】
前記空気冷媒冷凍機を運転する前記工程において、前記予冷室内の温度が−９０℃より低く−１９６℃より高くなるように前記予冷室内に噴き出す液体窒素の量が制御される
請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の冷凍システムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−１２８６０６（Ｐ２００８−１２８６０６Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１６４７６（Ｐ２００６−３１６４７６）
【出願日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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