自然冷媒製氷機に関する研究開発 吉村 賢二

自然冷媒製氷機に関する研究開発

吉村 賢二

秋山 知昭

小山 繁

Research and Development of Ice Making Machine using Natural Refrigerant

Kenji Yoshimura, Tomoaki Akiyama and shigeru Koyama

2005年2月京都議定書の発効により，日本の温室効果ガス6%削減（1990年度比）への対応が緊急の課題となって いる。冷凍空調機器で使用されるフロンR22等はオゾン層保護の目的から全廃が決定し，R134a等代替冷媒への切替 が進んでいるが，これら代替冷媒も地球温暖化の観点から規制対象となっている。本研究では，フロン系冷媒を使 用しない，自然冷媒（アンモニア）を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルに適した製氷・脱氷技術を開発し，その技 術を基に自然冷媒製氷機の開発を行った。その結果，製氷効率が高く，環境規制に対応する自然冷媒製氷機を実用 化した。

1 はじめに

2005年2月京都議定書の発効により，日本の温室効 果ガス6%削減（1990年度比）への対応が緊急の課題と なっている。冷凍空調機器で多く使用されてきたフロ ン系冷媒（CFC12，HCFC22等）はオゾン層保護の目的 から全廃が決定し，フロン系代替冷媒（HFC134a等）

への切替が進んでいるが，代替冷媒も地球温暖化抑制 の観点から規制対象（5%削減義務，1995年度比）とな っている。以上の背景より，近年冷凍空調業界では脱 フロン化を進めており，自然冷媒を使用した機器の開 発が盛んに行われている。しかし，産業用製氷機の分 野は開発が遅れており，ノンフロンで環境規制に対応 する自然冷媒アンモニアを使用した産業用製氷機の開 発が必要とされている。アンモニアは，オゾン層破壊 係数が0，地球温暖化係数が0，価格が安い，熱伝達率 が高い等の利点がある一方，毒性がある，銅および銅 合金に腐食性が高い等の欠点がある

。

これまで，アンモニアは冷媒として使用されてきた 実績があるが，冷媒液強制循環（液ポンプ）方式や満 液式が主流であり，この方式は装置が大型でメンテナ ンス作業が必要で，また，冷媒充填量が多く，漏洩事 故が発生した場合に周囲に多大な影響を与える可能性 があった

。そこで，冷媒充填量が少ない蒸気圧縮式 冷凍サイクルでアンモニアを使用する技術が開発され ているが，アンモニアの圧縮機吐出温度が130～150℃

と高く，冷凍機油の劣化による製氷板伝熱性能低下と

いう問題がある。

また，一般的な産業用製氷機においては，冷媒流路 に高温高圧の冷媒ガスを流すこと（ホットガス脱氷方 式）により，製氷板表面の氷を融解させて脱氷を行っ ている。しかし，ホットガス脱氷方式は，エネルギー ロスが大きい，イニシャルコストが大きい，脱氷時間 が長い等の問題があり，さらに，アンモニア冷媒でホ ットガス脱氷方式を使用すると，脱氷時（電磁弁切替 時）の圧力変動による，圧縮機故障および冷凍機軸封 部からの冷媒漏れが発生し易いという問題がある。

よって，本研究では，アンモニア冷媒を使用する蒸 気圧縮式冷凍サイクルにおいて，圧縮機吐出温度を低 下させて圧力変動を小さくすることにより製氷および 脱氷効率を向上させ，製氷機の故障を抑えるための製 氷・脱氷技術を開発し，本技術を用いた自然冷媒（ア ンモニア）製氷機の開発を行った。

2 研究，実験方法

図1に開発したアンモニアを用いた製氷・脱氷技術 の概略を示す。本技術は以下の内容で構成される。

①圧縮機出口の冷媒配管に熱交換器および水タンクを 設け，製氷運転時はアンモニア高温高圧ガスで水タ ンク内の水を加熱するとともにアンモニアガスの凝 縮の一部を行い，脱氷運転時は製氷時に加熱した温 水を製氷部へ流して脱氷を行う。

②アンモニアの凝縮の一部を水タンクで行うことによ り，凝縮器を縮小化でき，また，ホットガス脱氷方 式より電磁弁の数を削減できるため，イニシャルコ ストが低減。

*1 機械電子研究所

*2 アイスマン(株)

*3 九州大学

③アンモニアの凝縮を水タンクで行うことにより，約 20～30℃の低温でアンモニアを凝縮できるため，圧 縮機吐出温度・圧力および凝縮温度が低下し，製氷 効率が向上。一般的に夏季の気温上昇に従って冷媒 凝縮温度が40℃以上に上昇して冷凍サイクル成績係 数が低下するが，水タンク方式では脱氷時に温水が 冷却されるため，年間を通して約20～30℃の低温で 冷媒の凝縮が可能。例えば，蒸発温度-15℃，圧縮 機出口過熱度5℃，凝縮器出口過冷度5℃とすると，

理論冷凍サイクル成績係数は，開発技術で4.24（凝 縮温度35℃），従来技術で3.78（凝縮温度40℃）で，

ランニングコストは12%低減可能。

および熱交換器を，図5に製造した氷を示す。

また，本試作機は，製氷板上部にロードセルを設置 して製氷量を測定した。冷媒流量計で冷媒の質量流量 を測定した。T型シース熱電対で各部の冷媒および水 温度を測定した。ひずみゲージ式圧力計で各部の冷媒 圧力を測定した。消費電力計で冷凍機消費電力を測定 した。

性能実験では，開発した本製氷・脱氷技術の効果を 確認するために，開発技術を用いた製氷運転（水タン クを使用して，圧縮機出口高温高圧アンモニアガスの 一部を水タンクで凝縮して製氷する）と従来の製氷運 転（圧縮機出口高温高圧アンモニアガスの凝縮を全て 凝縮器で行う）の比較を行った。また，約2ヶ月間の 連続運転を行い，安定して製氷・脱氷ができることを 確認する。

④圧縮機吐出温度・圧力および凝縮温度が低下するこ とにより，冷凍機油の劣化が抑えられメンテナンス 頻度が減少可能。

⑤圧縮機吐出温度・圧力および凝縮温度が低下および 圧力変動の減少により，圧縮機故障と冷凍機軸封部 からの冷媒漏れを防ぐことが可能。

図2に本製氷・脱氷技術を使用して試作した自然冷 媒（アンモニア）製氷機の外観を示す。製氷板の大き さは縦0.55m×横1.5mであり，5枚の製氷板を有する。

製氷板材料はアルミニウムを使用する。冷媒配管は，

ステンレス（冷媒分配器）および鋼管（その他配管）

を使用する。製氷機内のアンモニア充填量は約15kgで ある。図3に製氷板および製氷状況を，図4に水タンク

図2 アンモニア製氷機の外観

図1 アンモニアを用いた製氷・脱氷技術

図3 製氷板および製氷状況 温水の流れ

（脱氷時）

製氷板 (蒸発器)

冷媒の流れ

（製氷時）

凝縮器

膨張弁 圧縮機

脱氷 氷 熱交換器 高温高圧ガス

水タンク

3 結果と考察

本製氷・脱氷技術の効果を確認するために，開発技 術を用いた製氷運転（水タンクを使用して，圧縮機出 口高温高圧アンモニアガスの一部を水タンクで凝縮し て製氷する）と従来の製氷運転（圧縮機出口高温高圧 アンモニアガスの凝縮を全て凝縮器で行う）のそれぞ れの製氷運転状況をp-h線図で表した結果を図6に示す。

通常の製氷運転（破線）の方が，若干凝縮温度・圧力 が高く，その分冷凍効果が減少し，圧縮機仕事が増加 している。冷凍サイクル成績係数COPは，開発技術が 4.42，従来技術が4.33であった。本実験は外気温20℃

で実験を行ったが，夏季の気温が上昇した環境では，

従来技術では冷媒の凝縮温度・圧力が上昇するため、

開発技術の効果がより大きく現れると考えられる。ま た，温水による脱氷のために脱氷時間が約30秒となり，

従来のホットガス脱氷方式（脱氷時間約3分）に比較 して脱氷時間が大幅に短くなった。

図4 水タンクおよび熱交換器

さらに，約2カ月間の連続運転を行い，冷媒温度・

圧力，水温度，冷媒流量，製氷量，冷凍機消費電力量 を測定した結果，安定して製氷・脱氷ができることを 確認でき，実用化できることを確認した。

4 まとめ

・自然冷媒（アンモニア）を使用した製氷・脱氷技術 を開発し，本技術の効果を確認した。

図5 製造した氷 ・本技術を用いた自然冷媒（アンモニア）製氷機の試 作機を製作し，長期間の連続運転を行った結果，実 用化できることを確認した。

図6 製氷運転状況

5 参考文献

1)五島正雄：アンモニア冷凍技術，p.36，日本冷凍空 調学会(2002)

比エンタルピー[kJ/kg]

圧力[MPa]

V=0.006 5.0

70℃ 70℃ V=0.006

V=0.08 5.0

5.2

60℃ 60℃

50℃

V=0.08 5.2

50℃

5.4 V=0.10

50℃ 50℃

5.4 50℃

5.6 50℃

5.4

40℃ 40℃ V=0.15

5.6 5.6

5.8

30℃ 30℃

V=0.2 5.8

20℃

20℃

5.8 20℃

6

V=0.3 20℃

10℃

20℃

10℃ ⁶

10℃

6.2

10℃ ⁶

V=0.4 10℃

0℃

6.2 0℃

10℃

0℃

6.2

6.4 0℃

V=0.6 0℃

6.4 0℃

6.4

6.6

-10℃ -10℃

V=0.8 6.6

V=1.0

-20℃ -20℃

V=1.5 7.0 6.6

6.8 V=1.5 7.0

-30℃ -30℃ V=2

7.2 V=3

-40℃ -40℃

7.2

7.4

-40℃ -40℃

7.4 V=4

-50℃ -50℃

V=6 7.6 7.4

-60℃

-60℃

V=6

R 717 ( NH３ ) p-h 線図

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

(JSRAE)

比エンタルピー　　ｋJ/kg

　MP

.15 3.0 2.5 2.0

1.5

1.0 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.9 4.0

0.3 0.25

0.2

0.1 .09 .08 0.07 0.06 .05 0.04

.03 .025

0.02 ^{100℃ 120℃ 140℃ 160℃}

80℃

60℃

40℃

20℃0℃

-20℃

-40℃ 180℃

[C 同 グ ピ す

a圧力　

0

0 0

0

0 0