JPH0578740B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高温度から超低温度までの広い範囲
の温度が得られるようにした冷凍装置に関する。

［従来の技術］ 環境試験装置等に用いられる冷凍装置にあつて
は、比較的高い温度がら超低温度までの広い範囲
に渡る各種温度レベルが要求される。このような
場合、従来では設定温度と熱負荷の状況から単段
圧縮冷凍装置、或いは二段圧縮冷凍装置を採用す
ることによつて所望の温度に制御している。ま
た、冷凍能力が比較的小さいシステムにあつて
は、冷凍装置を蒸発温度の低い運転として温度を
下げておき、温度の制御は電熱器等の加熱器を用
いて所望の温度を保つようにしている。

［発明が解決しようとする問題点］ したがつて、従来の装置では、冷凍機の組合せ
が複雑となつたり、冷却、再熱によるエネルギー
効率が低くなつてしまうという問題点があり、更
に温度レベルの下限は−20〜−50℃に限られると
いう問題点があつた。

そこで、本発明は蒸発温度が相違する二種以上
の冷媒を混合して用い、使用温度により冷媒組成
を変化させたり、或いはサイクルを変化させるこ
とにより、１台の冷凍装置によつて広い範囲の使
用温度レベルを得るようにした冷凍装置を提供す
ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の装置は、コンプレツサの吐出口を、液
冷媒とガス冷媒とに分離する精留器に主コンデン
サとキヤピラリーチユーブとを介して接続し、前
記精留器の液冷媒を第１バルブ、第１膨脹弁を有
する液管にて主エバポレータに供給できるように
し、かつ主エバポレータを前記コンプレツサへ接
続して第一の冷凍サイクルを形成し、さらに前記
液管から分かれ、第２バルブ、第２膨脹弁を有す
る分岐流路を、前記精留器の上部に設けた貯留器
内の第１副エバポレータに接続し、この第１副エ
バポレータからのガス冷媒流路を前記コンプレツ
サと前記主エバポレータとの間に接続し、また、
前記液管から分岐し、第３バルブ、第３膨脹弁を
有する熱交換流路に接続される第２副エバポレー
タと、第５バルブを有する前記貯留器からの二元
流路に接続される副コンデンサとで構成される熱
交換器を設け、前記第２副エバポレータの出口を
前記第１副エバポレータからのガス冷媒流路の途
中へ接続し、また前記副コンデンサの出口を第４
膨脹弁を有する流路にて前記第１膨脹弁と前記主
エバポレータとの間に接続し、さらに、第２キヤ
ピラリーチユーブ、第４バルブを有する連通路
を、前記貯留器と第５バルブの中間から分岐せし
めて前記第１副エバポレータからのガス冷媒流路
の途中に接続したものとしてある。

［作用］ 上述の本発明によれば、比較的高い温度を必要
とする場合には、精留器内で精留分離された高沸
点リツチな液冷媒が液管を通して主エバポレータ
に第１膨脹弁を介して供給される。このときに
は、この液冷媒が分岐流路から第２膨脹弁を介し
て副エバポレータに供給され、低沸点リツチなガ
ス冷媒は液化して貯留器内に貯留し、高沸点冷媒
はサイクル内を循環する。

上述よりも低い温度を必要とする場合には、精
留器内で気液分離された液冷媒が前記液管から第
１膨脹弁を介して主エバポレータに供給されると
ともに、低沸点成分が比較的リツチなガス冷媒を
第２キヤピラリーチユーブにより減圧した後、主
エバポレータを通つた冷媒と共にコンプレツサに
流入し、これにより所定の混合組成の冷媒が得ら
れる。このときには、上述した場合よりも主エバ
ポレータに供給される冷媒の中に比較的多量の液
低沸点冷媒が存在することから、冷房能力が低下
させられることなく、所望の温度が得られる。

また、超低温度を必要とする場合には、精留器
内で分離された低沸点成分がリツチがガス冷媒を
二元流路によつて導き、このガス冷媒が精留器内
で分離された高沸点の液冷媒によつて液化された
後に第４膨脹弁を介して主エバポレータに供給さ
れる。このときには、冷凍装置は二元冷凍サイク
ルとなり、超低温が主エバポレータにより得られ
る。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面に基づき詳細に
説明する。

ガス冷媒を圧縮するコンプレツサ１の吐出口に
は主コンデンサ２が接続され、この主コンデンサ
２においてガス冷媒は冷却されて液冷媒になる。
この主コンデンサ２の出口部には第１キヤピラリ
ーチユーブ３を介して精留器４が接続されてお
り、主コンデンサ２内の液冷媒は第１キヤピラリ
ーチユーブ３で減圧されて精留器４内に流入し、
この精留器４内で液冷媒とガス冷媒とに分離され
る。精留器４の下部には液管５が接続され、この
液管５はコンプレツサ１に接続された主エバポレ
ータ６に接続されており、この液管５には第１バ
ルブ８と第１膨張弁７が備えられている。

このように、精留器４の下部に貯留された液冷
媒を液管５を介して第１膨張弁から主エバポレー
タ６に供給するようにした場合には、これらのサ
イクルは主として高沸点成分がリツチとなつた液
冷媒がサイクルを循環することから単一冷媒シス
テムとなる。

前記精留器４の上部には下部と連通した連通孔
９を有する貯留器１０が設けられており、この中
にガス状態となつて流入した冷媒を冷却して液化
するための第１副エバポレータ１１を有する分岐
流路１２が液管５に接続されている。この第１副
エバポレータ１１には分岐流路１２により供給さ
れた液冷媒を絞り膨張させるための第２膨張弁１
３が設けられている。この分岐流路１２の先端は
コンプレツサ１と主エバポレータ６の中間に接続
されており、前記第２膨張弁１３で減圧され、第
１副エバポレータでガス化した冷媒はコンプレツ
サ１に供給されることになる。この分岐流路のう
ち前記第２膨張弁１３の上流側にはこの分岐流路
１２を開閉するための第２バルブ１４が設けられ
ている。

前記第１バルブ８と第２バルブ１４とを開いた
状態にあつては、第１副エバポレータ１１によつ
て貯留器１０内の低沸点のガス冷媒が液化・環流
して精留作用が行なわれることになるので、精留
器４の貯留器１０内では低沸点成分がリツチな液
冷媒が貯留されることから、高沸点の冷媒のみが
冷凍サイクルを循環して、単一冷媒システムが得
られる。

前記精留器４の上部と前記主エバポレータ６と
を結ぶ二元流路１５には、この二元流路１５内の
低沸点のガス冷媒を液化する副コンデンサ１６が
設けられている。この副コンデンサ１６内の冷媒
を冷却するための第２副エバポレータ１７を有す
る熱交換流路１８が前記精留器４からの液管より
分岐しており、これらの副コンデンサ１６と第２
副エバポレータ１７とにより熱交換器１９が形成
されている。熱交換流路１８には、第２副エバポ
レータ１７に流入する液冷媒を膨張させる第３膨
張弁２０と、この熱交換流路１８を開閉させるた
めの第３バルブ２１とが設けられている。また、
前記二元流路１５にはこの流路１５に設けられた
副コンデンサ１６からの液冷媒を膨張させて主エ
バポレータ６に供給するための第４膨張弁２２が
設けられている。

前記二元流路１５と分岐流路とを連通させる連
通路２３には、キヤピラリーチユーブ２４とこの
流路２３を開閉させる第４バルブ２５とが設けら
れ、更に前記二元流路１５にはこの流路１５を開
閉するための第５バルブ２６が設けられている。

このようにして、二元流路を通して低沸点の冷
媒を第４膨張弁２２から主エバポレータ６に冷媒
を供給する場合は、熱交換流路１８により高沸点
の冷媒を低沸点の冷媒の液化に利用することか
ら、冷凍サイクルは二元冷凍サイクルつまりカス
ケードシステムとなる。

次に、前述した本発明の冷凍装置の作動状態に
ついて説明する。

まず、第１バルブ８と第２バルブ１４とを開い
て、他の第３バルブ２１、第４バルブ２５、及び
第５バルブ２６を閉じると、冷凍装置内には太い
実線の矢印で示すように冷媒が循環する。つま
り、コンプレツサ１で圧縮された混合状態のガス
冷媒は、主コンデンサ２で凝縮されて液化された
後に、キヤピラリーチユーブ３で減圧され、精留
器４内に流入して低沸点リツチのガスと高沸点リ
ツチの液とに分離される。

一方、低沸点のガス冷媒は連通孔９を通つて貯
留器１０内に流入して、この中に位置する第１副
エバポレータ１１により冷却される。この第１副
エバポレータ１１には分岐流路１２からの冷媒が
第２膨張弁１３で絞り膨張されて流入することか
ら、貯留器１０内の冷媒は液化凝縮され、この精
留器４内では貯留器１０から精留器４内に返流す
る冷たい液冷媒が温かいガス冷媒と対向流に流れ
て精留作用を受ける。この操作を繰り返すことに
よつて、貯留器１０内には低沸点成分がリツチな
液冷媒が貯留され、高沸点の液冷媒と低沸点の液
冷媒とに分離される。このようにして分離された
高沸点の液冷媒が、液管５から第１膨張弁７を通
つて減圧されて主エバポレータ６に供給され、こ
こで気化してET10〜−10℃の運転が行われる。
上述のように、この場合には高沸点冷媒がリツチ
な単一冷媒システムが得られることになる。

次に、第１バルブ８と第４バルブ２５を開い
て、他のバルブ１４，２１，２６を閉じると、冷
凍装置内には、白抜きの矢印で示すように冷媒が
循環することになる。

この場合には混合冷媒運転となり、圧縮器１に
より圧縮された混合冷媒は、主コンデンサ２によ
り凝縮液化され、キヤピラリーチユーブ３で減圧
されて精留器４内に流入して、ここで気液分離が
なされる。この精留器４内で分離された高沸点成
分が比較的リツチな液冷媒は、液管５に設けられ
た第１膨張弁７で断熱膨張された後、ここを通つ
て主エバポレータ６にて冷却作用を行ない、コン
プレツサ１へ戻る。一方、低沸点成分が比較的リ
ツチなガス冷媒は、連通路２３のキヤピラリーチ
ユーブ２４により減圧された後、主エバポレータ
６を通つた冷媒と共に、コンプレツサ１に流入す
る。これにより、所定の混合組成の冷媒が得られ
る。

このように、主エバポレータ６で冷却作用を行
なう液冷媒の組成は、前記10〜−10℃の時の単一
冷媒運転の場合に比して、低沸点の冷媒の濃度が
高いために、冷房能力が低下することなく、前述
の場合よりも温度が低い−10〜−55℃の運転が可
能となる。

更に、この冷凍装置を用いて超低温を得るに
は、第３バルブ２１と第５バルブ２６を開き、他
のバルブ８，１４，２５を閉じる。

この場合の冷媒の流れは破線の矢印で示してあ
り、圧縮機１で圧縮された混合ガス冷媒は、主コ
ンデンサ２で凝縮液化され、キヤピラリーチユー
ブ３で中圧まで減圧されて精留器４内に流入す
る。ここで冷媒は高沸点成分がリツチな液と低沸
点成分がリツチなガスとに分離される。

低沸点成分がリツチなガス冷媒は、二元流路１
５を通つて副コンデンサ１６に供給され、熱交換
流路１８に設けられた第２副エバポレータ１７を
通る高沸点成分がリツチな液冷媒の気化により凝
縮された後、第４膨張弁２２により断熱膨張され
て主エバポレータ６に供給される。これにより、
温度が−55〜−85℃の超低温が得られる。そし
て、主エバポレータ６で気化した低沸点成分がリ
ツチな冷媒蒸気は、第２副エバポレータ１７で気
化した高沸点成分がリツチな冷媒蒸気と混合し
て、圧縮機１に吸入される。尚、分岐流路１２は
液管５に接続させることなく、直接精留器４に接
続するようにしても良く、同様に、熱交換流路１
８もその下流側を直接コンプレツサ１に接続、上
流側を直接精留器４に接続するようにしても良
い。

上述したそれぞれのバルブの開閉作動状態を示
すと第２図の通りである。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、液冷媒とガス
冷媒とに分離する精留器に主コンデンサとキヤピ
ラリーチユーブとを介してコンプレツサを接続
し、主エバポレータに前記精留器内の液冷媒を供
給する液管に第１膨張弁を備え、前記精留器の上
部に設けられた貯留器内に前記精留器内のガス冷
媒を液化する第１副エバポレータを設け、前記液
冷媒を第２膨張弁を介して前記第１副エバポレー
タに供給すると共に前記第１副エバポレータから
のガス冷媒を前記コンプレツサに供給する分岐流
路を設けているので、精留器内の液冷媒を第２膨
張弁を介して貯留器内の第１副エバポレータに供
給することになつて貯留器内には低沸点成分がリ
ツチな液冷媒が貯留されて高沸点冷媒が主として
主エバポレータに供給されることから、単一冷媒
システムが得られて高温度が得られる。更に、精
留器内の液冷媒をそのまま低沸点冷媒を含めて主
エバポレータに供給することによつて上述した場
合よりも低い温度が得られる。また、前記精留器
の上部と前記コンプレツサとを結ぶ二元流路に、
前記精留器と前記コンプレツサとを結び第３膨張
弁を有する熱交換流路に設けられた第２副エバポ
レータにより前記二元流路内のガス冷媒を凝縮す
る副コンデンサを備えると共に当該二元流路に第
４膨張弁を設けてあり、カスケード冷凍サイクル
が得られることから、同一の装置によつても超低
温も得ることとなる。

このように、１台の冷凍装置によつて比較的高
温から超低温度まで広い範囲にわたる温度を得る
ことができ、環境試験装置等に用いて有用な冷凍
装置が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る冷凍装置を示
す系統図である。第２図はバルブの開閉状態図で
ある。 図中、１……コンプレツサ、２……主コンデン
サ、３……キヤピラリーチユーブ、４……精留
器、５……液管、６……主エバポレータ、７……
第１膨張弁、１０……貯留器、１１……第１副エ
バポレータ、１２……分岐流路、１３……第２膨
張弁、１５……二元流路、１６……副コンデン
サ、１７……第２副エバポレータ、１８……熱交
換流路、２０……第３膨張弁、２２……第４膨張
弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コンプレツサの吐出口を、液冷媒とガス冷媒
   とに分離する精留器に主コンデンサとキヤピラリ
   ーチユーブとを介して接続し、前記精留器の液冷
   媒を第１バルブ、第１膨脹弁を有する液管にて主
   エバポレータに供給できるようにし、かつ主エバ
   ポレータを前記コンプレツサへ接続して第一の冷
   凍サイクルを形成し、さらに前記液管から分か
   れ、第２バルブ、第２膨脹弁を有する分岐流路
   を、前記精留器の上部に設けた貯留器内の第１副
   エバポレータに接続し、この第１副エバポレータ
   からのガス冷媒流路を前記コンプレツサと前記主
   エバポレータとの間に接続し、また、前記液管か
   ら分岐し、第３バルブ、第３膨脹弁を有する熱交
   換流路に接続される第２副エバポレータと、第５
   バルブを有する前記貯留器からの二元流路に接続
   される副コンデンサとで構成される熱交換器を設
   け、前記第２副エバポレータの出口を前記第１副
   エバポレータからのガス冷媒流路の途中へ接続
   し、また前記副コンデンサの出口を第４膨脹弁を
   有する流路にて前記第１膨脹弁と前記主エバポレ
   ータとの間に接続し、さらに、第２キヤピラリー
   チユーブ、第４バルブを有する連通路を、前記貯
   留器と第５バルブの中間から分岐せしめて前記第
   １副エバポレータからのガス冷媒流路の途中に接
   続してなる冷凍装置。