JPH0429338Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、非共沸混合冷媒を用いた超低温冷凍
装置に関する。

（従来の技術） 非共沸混合冷媒を用いて超低温を発生させる冷
凍システムは、冷媒の冷却と気液の分離を繰返す
ことによつて、最終的に低沸点成分の液を分離抽
出し、この蒸発潜熱によつて超低温の寒冷を得る
ものである。一方、圧縮機に使用される潤滑油に
は、超低温において固化しないようなものは現
在、得られない。このため、圧縮機から吐出され
る冷媒中に含まれる潤滑油（以下、油という）
は、冷凍サイクル中の低温部に到り、そこで流動
性を失い通路の壁面に付着する。付着量が増す
と、冷媒の流れの圧力損失が大きくなり、圧縮機
の吸入圧力が低下し効率の悪い運転となるだけで
なく、管壁を通しての伝熱作用が阻害され冷却性
能が著しく低下するという欠点があつた。

このため、必ずしも連続運転を必要としない冷
凍装置にあつては、適宜、運転を中止して超低温
部分の温度が油の流動点以上になるのを待つて運
転を再開し、詰つた油を圧縮機に送還して冷媒の
流れをよくし、冷却性能を回復させていた。しか
し、この手法では、余りにも際々、運転を中止す
る場合や、油の流動性回復が遅いため長時間の運
転中止を要する場合、冷却性能が阻害されるとい
う問題がある。

このため、冷媒が流れる管路中に油分離器を設
けるものや、高温の未凝縮冷媒を配管と電磁弁か
らなるバイパス管路を介して、間欠的に超低温部
へ流すようにしたもの（特開昭62−98158）など
があるが、連続運転を必要とする冷凍装置ではや
むをえないとしても、そうでない場合は、装置が
複雑化するので、いかにも不経済である。

（解決しようとする問題点） 本考案は、前述欠点に鑑みてなされたもので前
述冷凍装置、殊に間欠的に運転を中止できるもの
において、装置を複雑なものにすることなく、超
低温部分での油の流動性低下によつて性能が阻害
されることのない、高性能で経済的な運転が可能
な超低温冷凍装置を提供するものである。

（問題点を解決するための手段及び作用） 本考案は、非共沸混合冷媒を順次分離し、最終
的に低沸点冷媒を液成分として取出し、これを減
圧、冷却器で冷却作用させることで超低温を発生
させる冷凍システムであり、潤滑油の付着する低
圧側管路を圧縮機の吸入部に向けて下り勾配構造
とし、間欠的な停止時に、温度の上昇で流動性を
回復した潤滑油を自然落下により圧縮機に回収す
るようにしたものである。

（実施例） 以下、本考案を低温槽の冷凍装置に実施した一
実施例について、第１図を用いて説明する。第１
図は、この冷凍装置を構成する機器の接続を示す
だけでなく、配設される高さ方向の位置関係をも
示す、実体的な接続図である。

第１図において、冷凍装置は圧縮機１、凝縮器
２、第１気液分離器３、第１カスケード熱交換器
４、第１細管５、第２気液分離器６、第２カスケ
ード熱交換器７、第２細管８、減圧装置９、冷却
器１０およびこれらを結ぶ管路で構成されてい
る。

ここで、冷却器１０は、図示しない低温槽のス
テンレススチール製の内箱の外表面に、規則正し
く蛇行して溶接された配管である。また第１，第
２カスケード熱交換器４，７は二重管構造で、そ
れぞれの内管４″，７″と外管４′，７′を流れる冷
媒の流れ方向がたがいに逆向きになるように接続
される。

そして、圧縮機１の吐出側は、凝縮器２の入口
に配管接続され、凝縮器２の出口は、第１気液分
離器３の入口に配管接続されている。第１気液分
離器３のガス出口は、第１カスケード熱交換器４
の外管４′の入口に配管接続され、外管４′の出口
は、第２気液分離器６の入口に配管接続されてい
る。第２気液分離器６のガス出口は、第２カスケ
ード熱交換器７の外管７′の入口に接続され、外
管７′の出口は、減圧装置９を介して冷却器１０
の入口に配管接続されている。そして、冷却器１
０の出口は、第２カスケード熱交換器７の内管
７″、第１カスケード熱交換器４の内管４″を、そ
れぞれの外管７′，４′中の冷媒の流れと対向流を
なすように逆方向に順次経由して、圧縮機１の吸
入側へ配管接続されている。また、第２気液分離
器６の液溜部および第１気液分離器３の液溜部
は、それぞれ、冷却器１０出口から第２カスケー
ド熱交換器７の内管７″への配管および第２カス
ケード熱交換器７の内管７″から第１カスケード
熱交換器４の内管４″への配管に、細管８および
５でもつて配管接続されている。

そして、冷却器１０、配管１１、第２カスケー
ド熱交換器７の内管７″、配管１２、第１カスケ
ード熱交換器４の内管４″、配管１３及び圧縮機
１の吸入部は、第１図に示すとおり、高い位置か
ら低い位置へ順次、配設されたうえ、配管接続さ
れている。すなわち、冷却器１０から配管１３に
つながる低圧側管路は圧縮機１の吸入部に向けて
下り勾配に配設されている。

また、この冷凍装置を運転するための図示しな
い制御装置は、完全な連続運転ではなく、流動性
を失つた油が超低温部に詰まつたとき、間欠的に
運転を停止できるようになつている。

そして、このように形成された冷凍サイクル内
には蒸発温度の異なる複数の冷媒（例えば、Ｒ
１，Ｒ１２，Ｒ１３の組合せ等）が封入されてい
る。

以下、この冷凍サイクルの動作を説明する。圧
縮機１で圧縮された冷媒は凝縮器２で冷却され混
合冷媒のうちの一部の冷媒、ここでは蒸発温度の
一番高い成分が主として液化して気液混合状態で
第１気液分離器３へ流入し液冷媒となつた高沸点
成分と残りのガス冷媒とに分離される。液冷媒
は、第１細管５で減圧されて第１カスケード熱交
換器４の端部外側より内管４″内に流入し、一方
第１気液分離器３で分離されたガス冷媒は第１カ
スケード熱交換器４の外管４′内に流入して熱交
換が行われる。第１カスケード熱交換器４の外管
４′を流れる冷媒はその一部の冷媒、ここでは蒸
発温度が中温の成分が主として液化して気液混合
状態で第２気液分離器６へ流入して液冷媒となつ
た中沸点成分とガス冷媒（低沸点成分主体）とに
分離される。液冷媒は第２細管８を通して第２カ
スケード熱交換器７の端部外側より内管７″内に
流入し、またガス冷媒は第２カスケード熱交換器
７の外管７′内に流入してたがいに熱交換し外管
７内を流れる低沸点冷媒は完全に液化して減圧装
置９で減圧された後に冷却器１０に流入し、そこ
で蒸発し超低温を発生する。この蒸発によつて冷
却器１０を設けた低温槽（図示せず）は超低温と
なる。冷却器１０で蒸発した冷媒は第２細管８で
導かれる冷媒とともに第２カスケード熱交換器７
の内管７″内に流入し、つづいて、この冷媒は第
１細管５で導かれる冷媒と合流後、第１カスケー
ド熱交換器４の内管４″内に流入し、さらに圧縮
機１へ帰還する。

このような装置では、冷凍運転がつづくと、冷
却器１０、配管１１、第２カスケード熱交換器７
の内管７″、配管１２、第１カスケード熱交換器
４の内管４″、配管１３からなる低圧側管路には、
次第に圧縮機１より吐出された冷媒ガス中に含ま
れる潤滑油が固形化し付着していく。この結果、
管路の圧力損失は大きくなり、冷却性能も次第に
低下していく。しかしながら、この低圧側管路
は、圧縮機１の吸入部に対して下り勾配となつて
いる。このため、間欠運転によつて運転が一旦停
止されると、付着した油は温度の上昇とともに再
び流動性を回復し、重力により圧縮機１に戻され
る。したがつて、再起動時には、管路抵抗も解消
し、高効率の冷却運転を行うことができる。本実
施例では、気液を２回分離しているが、これに限
定することなく、１回またはｎ回分離する冷凍サ
イクルにも適用可能となるものである。

また、カスケード熱交換器は、２重管構造に限
るものではなく、平行管式のものや、容器中にコ
イル状の管路を内蔵させたものなど各種のもので
よい。冷却器からの冷媒をカスケード熱交換器に
通さないようにすることもできるが、通す方が有
利である。減圧装置は、減圧弁のほかキヤピラリ
チユーブなどにすることもできる。また、使用す
る用途も低温槽以外にコールドトラツプ用冷却装
置や、その他のものとすることができる。また、
使用する冷媒も前述実施例以外の混合冷媒とする
ことができる。

（効果） 本考案は、非共沸混合冷媒を用い、冷媒の冷却
と気液の分離を繰返すことによつて超低温を発生
させるようにした冷凍装置、殊に間欠的に運転を
中止できるようなものにおいて、装置を複雑な構
成にすることなく、超低温部分への潤滑油の滞溜
を除去することができ、常に高効率の冷却運転を
継続することができるので非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

図面は、本考案の実施例を示すものであつて、
第１図は、冷凍回路の実体接続図である。図面に
おいて、 １……圧縮機、２……凝縮器、３……第１気液
分離器、４……第１カスケード熱交換器、５……
第１細管、６……第２気液分離器、７……第２カ
スケード熱交換器、８……第２細管、９……減圧
装置、１０……冷却器、４′，７′……外管、４″，
７″……内管。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 非共沸混合冷媒を圧縮機で圧縮し、凝縮器で冷
   却し、一部凝縮してなる気液混合冷媒を、液化し
   た高沸点冷媒と残留ガス冷媒とに分離する第１気
   液分離器３と、該第１気液分離器で分離した液冷
   媒の減圧後の低温冷媒と同様に分離したガス冷媒
   とが熱交換する第１カスケード熱交換器４と、該
   第１カスケード熱交換器を通過した前記ガス冷媒
   のうち液化した中沸点冷媒と残留ガス冷媒とに分
   離する第２気液分離器６と、該第２気液分離器で
   分離した液冷媒の減圧後の低温冷媒と同様に分離
   したガス冷媒とが熱交換する第２カスケード熱交
   換器７と、以下同様の気液分離器とカスケード熱
   交換器を順次経て、最終段の第ｎカスケード熱交
   換器で残留する低沸点成分のガス冷媒を完全に液
   化し、これを減圧装置で減圧して冷却器に導き、
   所望する寒冷を得るようにし、前記各カスケード
   熱交換器および冷却器に減圧されて流入した冷媒
   が前記圧縮機に帰還する経路を有する冷凍サイク
   ルにおいて前記圧縮機吸入部に接続する、前記冷
   却器およびカスケード熱交換器を含む低圧側管路
   を前記圧縮機に対して下り勾配構造に形成してな
   る冷凍装置。