JPH0545012A - 圧縮式冷凍方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷凍回路に沸点の異なる２種以上の冷媒を封
入し、それら冷媒の沸点の違いを利用して低温を得る圧
縮式冷凍方法及び装置であって、冷凍回路内に封入して
ある冷媒混合物のうち、運転状況によって適切と思われ
る沸点の冷媒を主として蒸発器に流すことができ、それ
によって蒸発温度の変更、圧縮機負荷の低減が可能な圧
縮式冷凍方法及び装置を提供する。 【構成】 ２種以上の冷媒からなる冷媒混合物を圧縮機
１により圧縮したのち、凝縮及び分離装置１００におい
て、蒸発器１０へ主として選択的に流そうとする目的冷
媒を、該目的冷媒より沸点の高い冷媒があるときは、そ
の沸点の高い冷媒から凝縮及び気液分離操作にて分離し
て凝縮させ、無いときは該分離操作無しで凝縮させ、該
凝縮した目的冷媒を主膨張弁９を介して蒸発器１０へ導
くとともに、該目的冷媒より沸点の低い冷媒があるとき
は、該沸点の低い冷媒をリザーバ２０Ａ及び（又は）２
０Ｂを介して圧縮機１吸入側へ導くようにした圧縮式冷
凍方法及び装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧縮式冷凍方法及び装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮式冷凍方法及び装置は種々のタイプ
のものが知られているが、その中に、冷凍回路に沸点の
異なる２種以上の冷媒を封入し、それら冷媒の沸点の違
いを利用して低温を得ようとするタイプのものがある。
この種の冷凍方法及び装置としては、例えば、特開昭５
９−１６１６５０号公報に開示されているものが知られ
ている。

【０００３】この方法及び装置は、沸点の異なる２種の
冷媒からなる冷媒混合物を１台の圧縮機にて圧縮したの
ち、まず、高沸点冷媒を第１の凝縮にて凝縮させ、次い
で気液分離器にて高沸点冷媒と低沸点冷媒を分離し、高
沸点冷媒は第１の膨張機構を介して第１の蒸発器へ導
き、低沸点冷媒については、第２の凝縮器にて凝縮させ
たのち、第２の膨張機構を介して第２の蒸発器へ導き、
且つ、冷却しようとする空気を第１の蒸発器から第２の
蒸発器へ順次通過させるようにしたものである。

【０００４】また、図２に示すような一元カスケードシ
ステムも知られている。図２の例では、高沸点、中沸
点、低沸点の３種の冷媒からなる冷媒混合物が圧縮機Ｃ
にて圧縮され、次いで凝縮器ＣＤ１で凝縮されたのち、
気液分離器Ｓ１にて高沸点冷媒と中及び低沸点冷媒が分
離される。中及び低沸点冷媒は第２の凝縮器ＣＤ２へ至
り、一方、分離された高沸点冷媒は膨張機構Ｅ１を通
り、第２凝縮器ＣＤ２で中及び低沸点冷媒と熱交換して
中沸点冷媒を凝縮させつつ圧縮機Ｃの吸入側に戻され
る。第２の凝縮器ＣＤ２を出た冷媒は第２の気液分離器
Ｓ２に至り、ここで気液分離され、低沸点冷媒は第３の
凝縮器ＣＤ３へ至り、一方、中沸点冷媒は膨張機構Ｅ２
を経て、第３の凝縮器ＣＤ３で低沸点冷媒を凝縮させ、
圧縮機吸入側に戻される。凝縮器ＣＤ３で凝縮された低
沸点冷媒は、膨張機構Ｅ３を経て蒸発器ＥＶへ至り、冷
却に供される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記いずれの
タイプの冷凍方法及び装置でも、冷媒混合物中の最も沸
点の低い冷媒が必ず蒸発器に流され、冷却に供されるた
め、高負荷運転時（被冷却物の温度が高い場合等）や低
沸点冷媒の蒸発温度から高温側にかけ離れた温度域が蒸
発器に要求される運転の場合、冷凍回路内の冷媒圧力が
上昇して圧縮機に過大な負荷が加わり、効率も非常に悪
くなるという問題があり、この問題を解決しようとする
と、大容量の圧縮機若しくはこれに対処し得る特別な構
成の圧縮機を必要とするという問題があった。

【０００６】また、沸点の異なる冷媒を使用するにも拘
らず、最も低沸点の冷媒のみが蒸発回路に流れていたの
で、蒸発温度範囲が限られ、冷媒混合物を有利に用いる
ことができなかった。そこで本発明は、冷凍回路に沸点
の異なる２種以上の冷媒を封入し、それら冷媒の沸点の
違いを利用して低温を得る圧縮式冷凍方法及び装置であ
って、冷凍回路内に封入してある冷媒混合物のうち、運
転状況によって適切と思われる沸点の冷媒を主として蒸
発器に流すことができ、それによって蒸発温度の変更、
圧縮機負荷の低減が可能な圧縮式冷凍方法及び装置を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的に従
い、冷凍回路に沸点の異なる２種以上の冷媒を封入し、
それら冷媒の沸点の違いを利用して低温を得る圧縮式冷
凍方法であって、前記２種以上の冷媒からなる冷媒混合
物を圧縮したのち、蒸発器へ主として選択的に流そうと
する目的冷媒を、該目的冷媒より沸点の高い冷媒がある
ときは、その沸点の高い冷媒から凝縮及び気液分離操作
にて分離して凝縮させ、無いときは該分離操作無しで凝
縮させ、該凝縮した目的冷媒を膨張機構を介して蒸発器
へ導くとともに、該目的冷媒より沸点の低い冷媒がある
ときは、該沸点の低い冷媒を分離して圧縮機吸入側（低
圧回路部）へ導くことを特徴とする圧縮式冷凍方法、及
び冷凍回路に沸点の異なる２種以上の冷媒を封入し、そ
れら冷媒の沸点の違いを利用して低温を得る圧縮式冷凍
装置であって、前記２種以上の冷媒からなる冷媒混合物
を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の吸入側（低圧回路
部）に接続した蒸発器と、前記圧縮機の吸入側（低圧回
路部）に接続したリザーバと、前記蒸発器の冷媒流入側
に接続した主膨張機構と、前記圧縮機の吐出側と前記主
膨張機構の冷媒流入側の間に接続した凝縮及び気液分離
手段とを有し、前記凝縮及び気液分離手段は、蒸発器へ
主として選択的に流そうとする目的の冷媒を、該目的冷
媒より沸点の高い冷媒があるときは、その沸点の高い冷
媒から分離して凝縮させ、無いときは該分離操作無しで
凝縮させ、該凝縮した目的冷媒を前記主膨張機構へ供給
するとともに、該目的冷媒より沸点の低い冷媒があると
きは、該沸点の低い冷媒を分離して前記リザーバを介し
て前記圧縮機へ戻すように構成してあることを特徴とす
る圧縮式冷凍装置を提供するものである。

【０００８】前記方法及び装置においては、凝縮された
冷媒であって、蒸発器へ流す必要のないものは、吸入側
へ戻すことができるが、その途中で、必要に応じ、それ
より低い沸点の冷媒と熱交換させ、その凝縮に利用する
ことができる。前記装置におけるリザーバは、前記分離
された沸点の低い冷媒をそこへ逃がし、そこから低圧回
路部へ戻せるものであればよく、例えば、冷媒を受ける
圧力容器と、該容器出口側に接続した膨張機構で構成す
ることができる。

【０００９】

【作用】本発明方法及び装置によると、沸点の異なる２
種以上の冷媒からなる冷媒混合物が圧縮機により圧縮さ
れ、しかるのち主として蒸発器へ流そうとする目的の冷
媒が凝縮される。この目的の冷媒の凝縮にあたって、該
目的冷媒より沸点の高い冷媒があるときは、それら沸点
の高い冷媒を凝縮及び気液分離操作により目的冷媒から
分離させ、そのあとで目的冷媒を凝縮させる。凝縮した
目的冷媒は膨張機構を介して蒸発器へ導かれ、ここで冷
却に供されたのち圧縮機吸入側へ戻される。目的冷媒を
凝縮した段階で、該冷媒より沸点の低い冷媒があるとき
には、該沸点の低い冷媒は圧縮機吸入側へ戻される。該
沸点の低い冷媒が圧縮機吸入側へ戻されるとき、前記装
置によると一旦リザーバへ逃がされ、そこから圧縮機吸
入側へ戻される。また、前記目的の冷媒を凝縮するにあ
たって、該冷媒より沸点の高い冷媒を分離した場合、該
分離された凝縮冷媒は、例えば膨張機構を介して圧縮機
吸入側へ戻すことができる。また、そのように圧縮機吸
入側へ戻されるに際し、それより沸点の低い冷媒の凝縮
に供されるようになっている場合には、該沸点の低い冷
媒と熱交換を行ったのち圧縮機吸入側へ戻される。

【００１０】

【実施例】以下本発明の実施例を図１を参照して説明す
る。図１は本発明方法を実施する一元カスケードシステ
ムの圧縮式冷凍装置の一例の冷凍回路図である。この装
置は、圧縮機１を含み、該圧縮機の吐出側には第１の凝
縮器２、第１の気液分離器３、第２の気液分離器４、第
２の凝縮器（熱交換器）５、第３の気液分離器６、第４
の気液分離器７、第３の凝縮器（熱交換器）８、主膨張
機構９及び蒸発器１０が順次接続され、蒸発器１０は圧
縮機１の吸入側（低圧回路部）に接続されている。

【００１１】第１の気液分離器３の気相部は、止め弁２
０、圧力容器２１、止め弁１４及び膨張弁２３を順次介
して圧縮機１の吸入側（低圧回路部）に接続されてい
る。止め弁２０、圧力容器２１、止め弁１４及び膨張弁
２３は第１のリザーバ２０Ａを形成している。第１の気
液分離器３はその液相部が第２の気液分離器４に接続さ
れている。また、第２の気液分離器４はその気相部が第
２の凝縮器５に接続されている。第３の気液分離器６の
気相部は止め弁１９、圧力容器２２、止め弁１５及び膨
張弁２４を介して圧縮機１の吸入側に接続されており、
これら止め弁１９、圧力容器２２、止め弁１５及び膨張
弁２４は第２のリザーバ２０Ｂを形成している。なお、
リザーバ２０Ａの止め弁１４、リザーバ２０Ｂの止め弁
１５は必ずしも必要ではない。

【００１２】第３の気液分離器６はその液相部が第４の
気液分離器７に接続されている。気液分離器７はその気
相部が第３の凝縮器８に接続されている。第２の気液分
離器４の液相部は止め弁１６及び膨張弁１２を介して圧
縮機１の吸入側に接続されているが、膨張弁以降の回路
の一部が第２の凝縮器５を通過しており、ここで凝縮器
５を通過する冷媒と熱交換を行えるようになっている。

【００１３】また、第４の気液分離器７の液相部は止め
弁１７及び膨張弁１１を介して圧縮機１の吸入側に接続
されており、膨張弁１１以降の回路の一部が第３の凝縮
器８を通過しており、ここで第３の凝縮器８を通過する
冷媒と熱交換を行えるようになっている。以上示した構
成部品のうち、凝縮器２、５、８、気液分離器３、４、
６、７、気液分離器４に接続された止め弁１６及び膨張
弁１２、気液分離器７に接続された止め分１７及び膨張
弁１１並びにこれらを接続する回路は、主として蒸発器
１０へ流そうとする目的の冷媒を、それより沸点の高い
冷媒のあるときにはそれら高い沸点の冷媒と分離させて
から凝縮させ、そのような高い沸点の冷媒が無い場合は
分離操作無しに凝縮させるための凝縮及び分離装置１０
０を形成している。

【００１４】以上説明した冷凍装置による本発明方法の
一例を説明すると次のとおりである。まず図示の冷凍回
路に高沸点、中沸点及び低沸点の３種の冷媒からなる冷
媒混合物を封入する。この混合冷媒を圧縮機１により圧
縮し、次いで凝縮及び分離装置１００において目的の沸
点の冷媒を凝縮し、主としてこの冷媒を主膨張弁９を介
して蒸発器１０に流し、ここで目的の低温を得たのち圧
縮機１の吸入側に戻す。

【００１５】凝縮及び分離装置１００における目的冷媒
の凝縮は次のように行う。 まず、蒸発器１０で高い熱負荷を受ける場合、或い
は高沸点冷媒で十分に目的の温度が得られる場合は、蒸
発器１０には主として高沸点冷媒が流れるようにする。
そのため、まず装置１００中の止め弁１６、１７を閉じ
るとともに、リザーバ２０Ａ、２０Ｂの止め弁２０、１
４、１９、１５を開けておく。

【００１６】かくして圧縮機１から吐出された冷媒混合
物を凝縮器２において凝縮させ、液体の高沸点冷媒と気
体の中及び低沸点冷媒とする。この冷媒混合物を気液分
離器３へ導き、ここで気液分離することにより、殆どの
高沸点液冷媒と一部の中及び低沸点冷媒を第２の気液分
離器４へ導く。気液分離器３において分離された中及び
低沸点冷媒はリザーバ２０Ａへ導き、ここの圧力容器２
１及び膨張弁２３を介して圧縮機吸入側へ導く。気液分
離器４へ導いた冷媒は、ここから第２の凝縮器５を経て
気液分離器６へ導き、ここで殆どの中及び低沸点冷媒を
高沸点冷媒から分離させ、第２のリザーバ２０Ｂへ導
き、ここの圧力容器２２及び膨張弁２４を介して圧縮機
１の吸入側へ戻す。一方、気液分離器６において分離し
た高沸点液冷媒を、そのあと気液分離器７及び第３の凝
縮器８を通過させて主膨張弁９へ導き、ここから蒸発器
１０へ提供する。蒸発器１０において冷却に供されたの
ちは圧縮機１の吸入側へ戻す。 蒸発器１０における熱負荷の状況に応じて、或いは
目的の温度に応じて、蒸発器１０に主として中沸点の冷
媒が流れるようにする場合、まず、凝縮及び分離装置１
００における止め弁１６を開くとともに止め弁１７を閉
じておき、リザーバ２０Ａにおける止め弁２０、１４を
閉じるとともにリザーバ２０Ｂの止め弁１９、１５を開
けておく。

【００１７】かくして圧縮機１から吐出された冷媒混合
物を凝縮器２において凝縮し、液体の高沸点冷媒と、気
体の中及び低沸点冷媒とし、これら冷媒混合物を気液分
離器３を介して気液分離器４へ導き、ここで気液分離す
る。分離器４において分離した高沸点液冷媒は弁１６か
ら膨張弁１２を経て圧縮機１へ戻す。分離器４において
分離した中及び低沸点冷媒は第２の凝縮器５へ導き、こ
こで膨張弁１２を通過してきた高沸点冷媒と熱交換さ
せ、中沸点冷媒を凝縮させて気液分離器６へ導く。分離
器６では中沸点冷媒と低沸点冷媒を分離し、低沸点冷媒
はリザーバ２０Ｂへ導き、そこから圧縮機１の吸入側へ
戻す。

【００１８】一方、液化された中沸点冷媒は気液分離器
７及び凝縮器８を経て膨張弁９へ導き、ここから蒸発器
１０へ提供する。凝縮器１０において冷却に供された中
沸点冷媒は、その後、圧縮機１の吸入側へ導く。かくし
て蒸発器１０には主として中沸点冷媒が流れることにな
り、目的の温度が得られる。 蒸発器１０に対する熱負荷の状況、或いは低沸点冷
媒で十分に目的の温度が得られる場合、蒸発器１０には
主として低沸点冷媒を流す。この場合、まず、凝縮及び
分離装置１００における止め弁１６、１７は開いておく
とともに、リザーバ２０Ａ及び２０Ｂにおける各止め弁
は閉じておく。

【００１９】かくして圧縮機１から吐出れた冷媒混合物
をまず凝縮器２において凝縮し、ここで液体の高沸点冷
媒と気体の中及び低沸点冷媒とし、これら冷媒混合物を
気液分離器３を経て気液分離器４へ導き、ここで高沸点
冷媒を分離し、弁１６及び膨張弁１２を介して圧縮機１
へ戻すとともに、分離された中及び低沸点冷媒を第２の
凝縮器５へ導き、ここで膨張弁１２を通過してきた高沸
点冷媒と熱交換させて中沸点冷媒を凝縮させ、その後で
気液分離器６を経て気液分離器７へ導く。

【００２０】ここで液体の中沸点冷媒を分離させ、弁１
７及び膨張弁１１を介して圧縮機１の吸入側へ戻すとと
もに、分離された低沸点冷媒を凝縮器８へ導き、ここで
膨張弁１１を通過してきた中沸点冷媒と熱交換させて凝
縮させたのち主膨張弁９へ導き、さらにそこから蒸発器
１０へ提供して冷却に供したのち圧縮機１の吸入側へ戻
す。

【００２１】以上説明した実施例方法及び装置による
と、冷凍回路内に封入してある冷媒混合物のうち、運転
状況によって適切と思われる沸点を持つ冷媒を主として
蒸発器１０に流し、蒸発温度を変更することができ、ま
た、それによって冷凍回路内の冷媒の圧力上昇を抑制し
て圧縮機１の負荷を低減させ、効率よく運転することが
できる。

【００２２】なお、蒸発器１０に目的とする冷媒を主と
して通過させるための各弁の開閉は、例えば各止め弁を
電磁弁で構成し、蒸発回路負荷側に温度センサを設け、
この温度センサからの温度情報を図示しない温度調節器
に取り込み、この温度調節器からの指示で制御すること
ができる。また、前記各膨張弁は必要に応じ、キャピラ
リーチューブ等の他の膨張機構に替えてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、冷
凍回路に沸点の異なる２種以上の冷媒を封入し、それら
冷媒の沸点の違いを利用して低温を得る圧縮式冷凍方法
及び装置であって、冷凍回路内に封入してある冷媒混合
物のうち、運転状況によって適切と思われる沸点の冷媒
を主として蒸発器に流すことができ、それによって蒸発
温度の変更、圧縮機負荷の低減が可能な圧縮式冷凍方法
及び装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための圧縮式冷凍装置の
一例の回路図である。

【図２】従来例の説明図である。

【符号の説明】 １ 圧縮機 １００ 凝縮及び分離装置 ２ 第１の凝縮器 ３ 第１の気液分離器 ４ 第２の気液分離器 ５ 第２の凝縮器 ６ 第３の気液分離器 ７ 第４の気液分離器 ８ 第３の凝縮器 １１、１２ 膨張弁 １６、１７ 止め弁 ９ 主膨張弁 １０ 蒸発器 ２０Ａ、２０Ｂ リザーバ １４、１５、１９、２０ 止め弁 ２１、２２ 圧力容器 ２３、２４ 膨張弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 冷凍回路に沸点の異なる２種以上の冷媒
   を封入し、それら冷媒の沸点の違いを利用して低温を得
   る圧縮式冷凍方法であって、前記２種以上の冷媒からな
   る冷媒混合物を圧縮したのち、蒸発器へ主として選択的
   に流そうとする目的冷媒を、該目的冷媒より沸点の高い
   冷媒があるときは、その沸点の高い冷媒から凝縮及び気
   液分離操作にて分離して凝縮させ、無いときは該分離操
   作無しで凝縮させ、該凝縮した目的冷媒を膨張機構を介
   して蒸発器へ導くとともに、該目的冷媒より沸点の低い
   冷媒があるときは、該沸点の低い冷媒を分離して圧縮機
   吸入側へ導くことを特徴とする圧縮式冷凍方法。
2. 【請求項２】 冷凍回路に沸点の異なる２種以上の冷媒
   を封入し、それら冷媒の沸点の違いを利用して低温を得
   る圧縮式冷凍装置であって、前記２種以上の冷媒からな
   る冷媒混合物を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の吸入側
   に接続した蒸発器と、前記圧縮機の吸入側に接続したリ
   ザーバと、前記蒸発器の冷媒流入側に接続した主膨張機
   構と、前記圧縮機の吐出側と前記主膨張機構の冷媒流入
   側の間に接続した凝縮及び気液分離手段とを有し、前記
   凝縮及び気液分離手段は、蒸発器へ主として選択的に流
   そうとする目的の冷媒を、該目的冷媒より沸点の高い冷
   媒があるときは、その沸点の高い冷媒から分離して凝縮
   させ、無いときは該分離操作無しで凝縮させ、該凝縮し
   た目的冷媒を前記主膨張機構へ供給するとともに、該目
   的冷媒より沸点の低い冷媒があるときは、該沸点の低い
   冷媒を分離して前記リザーバを介して前記圧縮機へ戻す
   ように構成してあることを特徴とする圧縮式冷凍装置。