JPH02176372A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、生体や微生物細胞の凍結保存などに好適な超
低温冷凍装置に関する。

（従来の技術） 医療やバイオテクノロジの分野における技術の発達に伴
い、生体や微生物などを凍結保存するための冷凍装置は
、凍結保存中の細胞が極力破壊されることりない、より
援助保存のできるものが望まれるため、極めて低い温度
の得られる冷凍装置が必要になっている。

こうした必要に応じろため、いろいろの手段が講じられ
ているが、沸点温度の異なる複数種の冷媒からなろ混合
冷媒を、沸点温度の旨い冷媒から／ｌｉｌ温点の低い冷
媒へと順次、凝縮して行き、最も低い蒸発温度の冷媒を
最終的に蒸発させて、所望の超低温を得るいわゆる混合
冷媒方式の冷凍が行われている。ところが、こうしたも
ので得られろ超低温には限度があることから、第１冷凍
回路と複数種の冷媒からなる混合冷媒を封入した第２冷
凍回路を設け、第１冷凍回路の蒸発器と第２冷凍回路の
凝縮器との間に熱交換させるようにした二元冷凍方式の
冷凍回路を使用して小形で温度の制御性がよく、かつ、
熱交換効率よく超低温の得られるものが特開昭６２−７
３０４６号に開示されている。そして、第２冷凍回路に
は、Ｒ２１、ａ１３ｉｔ１．１１４．１ｔ５０といった
４種の冷媒からなる混合冷媒を封入し、約−１５０℃の
超低温をイ４ている。

一方、混合冷媒方式の冷凍装置は、気液分離と熱交換′
？：ｌｌ１１１次、行なったうえ、最終的に行う蒸発に
よって所望の低温をイ）口ものであるが、起動直後にお
いては、冷却器の温度が充分に低下していないため、こ
こで蒸発し、冷却作用を行なった冷媒は、冷却の熱容量
に応じた熱負荷により相当な両温になりがちである。こ
うした高温のガス冷媒が、圧縮機に戻るまでのカスケー
ド熱交換器を〕ｍ遇する際、そこでの熱交換を不安定な
ものにするため、冷却器による冷却が不安定になるばか
りでな（、立上りが悪（なる。また、高温のガス冷媒（
解決しようとする課題） しかしながら、従来の超低温冷凍装置では、二元冷凍方
式をとっているため、圧縮機が２台必安となり、冷凍装
置の構成が複雑になるばかりでなイＴ （、二つの冷凍回路間で熱交換を交うための制御製置を
必要とするので、制ｊ４１の面からみても冷凍装置が複
雑になってくる。また、混合冷媒方式における起動時に
おける動作不安定といった問題もある。

そこで、この発明は、こうした冷凍装置が複雑な構成と
なることを排除し、構成及びＷｉｌｌ　ＩＩＩの両面か
らみても簡単であり、−１５０℃といっだ超低θ１−五
の得られるとともに起動の当初から安定した冷却の行え
る超低温の冷凍装置’Ｉｆ’（身ることを課題とする。

（問題点を解決するための手段） この発明の冷凍装置は、混合冷媒方式の一元冷凍方式で
あって、封入される混合冷媒は、混合されている複数種
類の冷媒の蒸発温度差が順次、はぼ一定間隔となるもの
である〇 そして、圧縮機から冷却器に到る間には、まず１縦縮器
が設けられ、次に気孜分離器とカスケード熱交換器とを
、気液分離器で分離した残留ガス冷媒と同じ（分離しだ
液冷媒を減圧し気０．混合状態となった冷媒との間で熱
交換するように接続し、これを第１段から順次接続して
第４段目まで設け、更に最終段にある第４カスケード熱
交換器からの残留ガス冷媒をα化する副冷却器を設けて
いる。

また、副冷却器は、ここで冷却され、α化した低沸点冷
媒の−ｉｖ減圧し・たものと第４カスケード熱交換器か
らの残留ガス冷媒との間で熱交換されろように接続され
ており、主冷却器及び副冷却器で冷却作用をして流出す
る冷媒は、第４カスケード熱交換器から順次逆に第１カ
スケード熱交換器を経由して圧縮機に戻るように接続さ
れている。

（作用） 圧縮機で圧縮されたガス状の混合冷媒は、凝縮器で冷却
され、液化した、６沸点冷媒と残留ガス冷媒の混在状態
となり、第１気液分離器でそれらが分けられる。ここで
分けられた残留ガス冷媒は、同じ（ここで分けられ液冷
媒を減圧したものと第１カスケード熱交換器で熱交換さ
れ、次段の第２気液分離器に供給されろ。以下、同様に
して順次、第２、第３及び第４気液分離器で王として中
沸点から低沸点にかけての冷媒が気液分離され、第２第
３及び第４カスケード熱交換器でそれぞれ熱交換する。

最終段の第４カスケード熱交換器を出た低沸点ガス冷媒
は、副冷却器に入り、液化される。

副冷却器では、ここを出た低沸点液冷媒の一部を減圧し
たものとここへ入る低沸点ガス冷媒との間り、蒸発し超
低温を発生する。主冷却器で蒸発した低沸点ガス冷媒及
び副冷却器で冷却作用した低沸点ガス冷媒は、ともに順
次、第４、第３、第２及び第１カスケード熱交換器を経
由して圧縮機へ帰還するが、その際、第４、第３、第２
及び第１気液分離器で分離された液冷媒の減圧されたも
のと順次合流してい（。

このように、本発明においては冷凍回路を一元とし、気
液分離器とカスケード熱交換器の組み合わせの段数を４
段として、沸点温度の異なる複数種類の冷媒からなる混
合冷媒を、主として高沸点のものから低部点のものへ順
次気液分離と熱交換（冷却）を行い、最も沸点温度の低
い冷媒を最終的に液化したもの＾却器で蒸発させ超低温
を得るようにしている。従って、圧縮機の吐出圧力を低
（できるうえ、二元冷凍方式と異り、圧縮機は１台で済
み、また、二つり冷凍回路間の動作を制御するだめの装
置もいらない。ここで使える圧縮機は、ごく普通の空調
用や冷蔵用に使用される圧縮機と同様のものになる。

また、混合冷媒の成分となる冷媒は、沸点温度の差が順
次、はぼ一定間隔となるものを選定し、気液分離と熱交
換の各段ごとに、はぼ等間隔で１）＾次、冷媒を冷却し
て行き、最も沸点の低い冷媒を最終的に蒸発させること
によって、無駄のない効率的な冷却を行うので、極めて
低い温度が得られる。

更にまた、最終段である第４カスケード熱交換器からの
低沸点ガス冷媒を副冷却器で液化した後、その一部を副
冷却器での冷却に利用したあとではあるが、主冷却器で
冷却作用した後の低沸点ガス冷媒と合流させている。こ
のため、冷凍装置を起動した直後、主冷却器の温度が充
分に下ってないとき、主冷却器で冷却作用して流出する
低沸点ガス冷媒の温度が異常に高（なっていても、これ
を低下させることができる。従って、各カスケード熱交
換器における熱交換が、装置の起動時においても安定で
あり、主冷却器における冷却を安定なものにできる。

（実施例） 沸点温度差の異なる６種類の冷媒からなる混合冷媒を使
用して、−１５０℃の超低温を得るようにした超低温貯
蔵庫用の冷凍装置での実施例について図面を用いて説明
する。

この冷凍装置に封入される混合冷媒の成分は、次の通り
である。

型式　　モル比＠）　沸点（’Ｃ） Ｒ１１２５±５　　　２３８２ Ｒ１２２０±５　　−２８７９ Ｒ１３１５±５　　−８１．４ Ｒ１４１５±５　　−１２７．９６ Ｒ５０１５±５　　−１６１．６ Ｒ７４０１０±５　　−１８５．７ ただし、上記１’ｌｌｊ点は、大気圧下にｉ６けるもの
である。

第１図は、この冷凍装置の機器間接続を示すものであっ
て、圧縮機１の吐出側は、凝縮器２０人口に配管で接続
されており、凝縮器２の出口は、第１気液分離器３０人
口に配管接続されている。

第１気液分離器３は、比較的多量の混合冷媒が流れるの
で、後段のものより大型のものを使用している。そして
、第１気液分離器３の気相８ｓ　３　ＪＬは、第１カス
ケード熱交換器４の外管人口に配管接続され、液相部３
ｂは、途中に減圧手段としての第１細管５を介して、第
１カスケード熱交換器４の内管人口に配管接続されてい
る。なお、第１カスケード熱交換器４は、２重管で形成
されており、外管を流れる冷媒と内管を流れる冷媒との
間の熱交換を効果的に行うため、外管人口と内管出口は
同じ一端に、外宮出口と内管人口は同じ他の一端に位置
させて、内外管中の冷媒の流れが相互に逆方向になるよ
うにしている。こうして、気液分離と熱交換の第１段が
形成され、主としてＩｔｌｌ、１（１２の液化、分離と
これによる熱交換のために機能する。

以下、同様にして第２気孜分離器６と第２カスケード熱
交戻器７、第３気孜分離器９と′Ｓ３カスケード熱交換
器１０、第４気液分離分離器１２と第４カスケード熱交
換器１３が接続され、第１カスケード熱交換器４の外管
出口は第２気液分離器６０人口に、第２カスケード熱交
換器７の外管出口は第３気〆夜分離器９０人口に、第３
カスケード熱交菌器１０の外管出口は第４気液分離器１
２０入口に配管接続されて、気液分離と熱交換の第２〜
第４段目が形成されろ。

副冷却器１５も２重管式熱交換器であって、その外管人
口は第４カスケード熱交換器１３の外管出口と配管接続
されており、その外管出口に接続された配°■は、二つ
に分岐され、一方は、減圧手段としての第５ａｌ’ｆｆ
１６Ｙ介して、その内管人口に配管接続されている。ま
た、分岐された他の一方は、減圧手段としての第６細管
１７を介して、図示しない超低温貯蔵庫に設けられた主
冷却器１８の人口に配′Ｇ接続されている。

そして、主冷ＢｋＢの出口からの配管及び副とｌ〒却器
１５の内゛１ｆ出口からの配管は合流し、更に第４細管
１４から夷４カスケード熱交換器１３０内管人口への配
管に合流する。以下、第４カスケト熱交換器１３の内管
出口は、第３カスケード熱交換器１０の内管人口へ、第
３カスケード熱交づ感温１０の内管出口は第２ツノスケ
ート熱父侯器１の内管人口へ、第２カスケード熱交便器
７の内管出口は第１カスケード熱交換器４の内管人口へ
同様にして配管接続される。そして、第１カスケード熱
交換器４の内°げ出口は、圧縮機１０１及人口へ配管接
続されている。

定常運転中、圧縮機１の吸入圧は１−７５ｋｇ／ｃＡＧ
１吐出圧は１６．９ｋｇ／ｄＧで、ここかＣ）吐出され
る混合冷媒は、約９４℃程度の高温のガス状１，１すで
ある。そして、凝縮器２で２５℃の冷却水によ態にある
気液混合状態になる。そして、第１気液分離器３でこれ
らか分離され、分離されたカス冷媒は、第１カスケード
熱交換器４において、約−３４℃、王として＋ｔ１２の
大部分と１（１３の相当部分が液化し、残りの冷媒はガ
ス状態にある気液混合状態になる。そして、第２気故分
離器６にお（・て、これらか分離され、分離されたガス
冷媒は、第２カスケード熱交換器７において、約−６４
℃、主として１ｃ１３の大部分と１（ｉ４の一部分が液
化し、残りの冷媒はカス状態にある気液混合状態になる
。そして、第３気欣分離器９において、これらが分離さ
れ、分離されたガス冷媒は、第３カスケード熱交換品１
０において、約−８９℃、主として１ｔ１４の相当部分
とＩＬ５Ｑの一部分が液化し、残りの冷媒がガス状態に
ある気液混合状態になる。

そして、第４気液分離器１２において、これらが分離さ
れ、分離されたガス冷媒は、第４カスケード熱交換器１
３で約−１０９℃、且５０の相当部分とＲ７４０の一部
分が液化し、残りの冷媒がガは、（１１ＩＩ今却器１５
において、約−１２３（二の完全液化状態になり、第６
辿１ｆ１７で減圧された後、約−１５５℃で主冷却器１
８に流入、蒸発し、超低温貯蔵庫内を、いわゆる−１５
０℃の超低温に冷却する。

ところで、起動時にあっては、これだけの超低温が一挙
に得られろわけではない。冷却器１　Ｂ　’を工、周囲
場境とほぼ同温度であることが多いためｙ′Ｉｉ却器１
８から流出するカス冷媒の温度は、５１１　′？；’ｌ
運転中の約−１４８℃といったものよりはろかに旨いも
のになる。しかしながら、副冷却器１５かも流出する約
−１１０℃の液冷媒と合流し、これと混り合って冷却さ
れて第４カスケード熱交換器１４に流入する。従って前
段での熱父懐に悪影響はな（、安定した起動ができる。

以」二の通り、気液分離と熱交換の組み合わせを順次、
４段に分け、前段で冷却された液冷媒を分離し、減圧し
て温１タヲ下げ、それでもって次段の冷却をするように
し、各段の温Ｊｙ差がほぼ一様でかつ、余り大きくない
ようにしているので冷却効率を尚く維持できるとともに
圧縮機１も格別大ぎな圧力比（吐出圧力／吸入圧力）を
発生するものではなく、普通の空調用程度のものを使用
できる。

混合されている各冷媒は、各段で高沸点のものだけ、中
沸点のものだけ又は低沸点のものだけが液化し、気液分
離されるのではな（、高沸点のものも残留し、各段で順
次、残留量が減って行（が、最終段にあっても、１ｔ１
１、ｔｔ１２．１４１３、Ｒ１４，１ｔ５０が僅かに残
留する。そして、また低温を発生する過程での熱ロスを
考慮し、高沸点のもの程、成分比を太き（し、低沸点と
なるに従い成分比を小さ（とっている。

以上、好ましい実施例の一つであるが、各構成機器の大
きさに大きな変更、例えば、配管中に流量調整弁を設け
るなど付加装置や、各部の機器容′量に変動があった場
合は、各冷媒の成分比が変わって（ることがある。混合
される冷媒は、沸点温度差がほぼ同じになるように組み
合わせられれば、他の冷媒でもよい。

また、凝縮器における冷却は、冷却水に限るものではな
（、空気でもよい。温度もまた適宜に決められる。カス
ケード熱交換器も、２重含式に限るものではなく、平行
管式や容器中にコイル状に配管したものなど各種のもの
としてよい。減圧手段もまた細管に限るものではな（、
減圧弁や膨張弁などとしてよい。また、構成機器間の接
続は、気液分離器とカスケード熱交換器を配管によって
接続し、ユニット化したものを順次接続するようにして
もよい。更にまた、冷凍装置の用途も、コールドトラッ
プの冷却装置その他、超低温を必要とする装置とするこ
とができる。

（効果） 以上の辿り、この発明によれば、−元方式であるため圧
縮機を始め構成品が少なくでき、また、二元方式のよう
な複雑な制御を必要としない。史に４段気液分離方式を
とっているため、吐出圧力の低い空調用や冷蔵用の圧縮
機を使用できるので、構成、制御とも簡素化され、小型
化されたものになり、効率よ＜　−１，５０℃の超低温
がイ４もれ、起動時の安定性もよい冷凍装置が得られる
。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明の実厖例を示すものであって第１図は
概略回路図である。第１図において１は圧縮機、２は凝
縮器、３はゴロ気液分離器、４は第１カスケード熱交換
器、６は第２気液分離器、気液分離器、１３は第４カス
ケード熱交喚器、１５は副冷却器、１８は主冷却器であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高沸点から低沸点に到るまで、沸点の温度差が順次、一
   定間隔となる複数種類の冷媒からなる混合冷媒を封入し
   てなり、この混合冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機
   で圧縮した混合冷媒を冷却する凝縮器と、この冷却され
   た混合冷媒を主として高沸点の液冷媒と残留ガス冷媒に
   分離する第１気液分離器と、この第１気液分離器で分離
   された後、減圧され、気液混合状態となった前記高沸点
   液冷媒と前記残留ガス冷媒との間で熱交換させる第１カ
   スケード熱交換器と、前記残留ガス冷媒を、以下、主と
   してより沸点の低い冷媒から順次、同様に液冷媒と残留
   ガス冷媒に分離する第２、第３及び第４の気液分離器と
   これら第２、第３及び第４気液分離器で分離された残留
   ガス冷媒と同じく分離された後、減圧されて気液混合状
   態となった液、冷媒との間で、それぞれ熱交換させる第
   ２、第３及び第４のカスケード熱交換器と、この第４カ
   スケード熱交換器からの残留低沸点ガス冷媒を液化する
   とともに、この液化された冷媒の一部を取出して減圧し
   た冷媒と前記第４カスケード熱交換器からの低沸点冷媒
   との間で熱交換する副冷却器と、この副冷却器からの完
   全に液化された液冷媒を減圧した冷媒を蒸発させる主冷
   却器と、これら主冷却器と、これら主冷却器及び副冷却
   器で冷却作用して流出した冷媒を、順次、逆に前記第４
   カスケード熱交換器から第１カスケード熱交換器を経由
   して前記圧縮機へ帰還させる管路を具備してなる冷凍装
   置。