JPH08327170A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 超低温貯蔵庫部に除霜ヒータを必要としない
冷凍装置。 【構成】 沸点の異なる複数種の冷媒からなる混合冷媒
を使用し、この冷媒の圧縮機１と、圧縮され高温高圧の
混合冷媒を冷却液化する凝縮器３と、液化後の混合冷媒
を順次高沸点の液冷媒とガス冷媒に分離する複数段の気
液分離器５，８，１１，１４と、該気液分離器の液冷媒
を減圧する複数の膨脹手段７，１０，１３，１６と、該
該膨張手段により減圧され気液混相の冷媒とガス冷媒を
熱交換させる熱交換器６，９，１２，１５，１７と最終
段の熱交換器でほぼ完全液化した低沸点冷媒を減圧し冷
却する冷却器１９と、該冷却器で冷却された２次冷媒を
需要の超低温装置のコイルに循循される装置で、２次冷
媒配管に吐出高温ガスと熱交換させる熱交換器２６を介
装し、３方切換弁２７を介してホットガスを熱交換器２
６に導くデフロスト回路３０を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多成分混合冷媒を使用し
た多段気液分離方式の超低温冷凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、−１００℃以下の低温を得るため
の超低温冷凍機として、１台の圧縮機と凝縮器並びに複
数段の気液分離器及び熱交換器から構成された多段気液
分離方式の超低温冷凍装置が使用されている。このよう
な超低温冷凍装置で被冷却体を冷却する場合、最終段の
キャピラリーチューブを出た低温冷媒を配管で被冷却体
まで移送する直接冷却方式と、一旦、冷却器で２次冷媒
を冷却し、その２次冷媒を配管で被冷却体まで移送する
間接冷却方式がある。この種の従来の間接冷却方式の超
低温装置の冷媒系統図が図２に示されている。図２にお
いて、圧縮機１の吐出側は油分離器２を介して凝縮器３
の入口に接続されている。

【０００３】凝縮器３の出口は補助凝縮器４を介して第
１気液分離器５の入口に接続されている。そして、第１
気液分離器５の気相部５ａは第１中間熱交換器６の外管
入口に接続され、液相部５ｂは第１絞り７を介して第１
中間熱交換器６の内管入口に接続されている。

【０００４】第１中間熱交換器６は２重管で形成されて
おり、外管内を流れる冷媒と内管内を流れる冷媒との間
に熱交換の効率を高めるため、外管入口と内管出口が中
間熱交換器６の一方の端に設けられ、外管出口と内管入
口は他方の端に設けられている。

【０００５】このようにして、第１気液分離器５と第１
中間熱交換器６と第１絞り７により第１段の冷却手段１
Ｓが形成される。

【０００６】以下同様に、第２気液分離器８と第２中間
熱交換器９と第２絞り１０によって第２段の冷却手段２
Ｓが、第３気液分離器１１と第３中間熱交換器１２と第
３絞り１３によって第３段の冷却手段３Ｓが、第４気液
分離器１４と第４中間熱交換器１５と第４絞り１６によ
って第４段の冷却手段４Ｓが形成される。

【０００７】そして、第４中間熱交換器１５の外管出口
は補助冷却器１７及び絞り１８を介して冷却器１９の内
管入口に接続されている。冷却器１９の内管出口は補助
冷却器１７を経て第４中間熱交換器１５の内管入口に接
続されている。

【０００８】第４中間熱交換器１５の内管出口は第３中
間熱交換器１２の内管入口に、第３中間熱交換器１２の
内管出口は第２中間熱交換器９の内管入口に、第２中間
熱交換器９の内管出口は第１中間熱交換器６の内管入口
に、第１中間熱交換器６の内管出口は補助凝縮器４を介
して圧縮機１の吸入側に接続されている。

【０００９】冷却器１９は２重管で形成されており、そ
の外管は２次冷媒供給管２１及び２次冷媒戻り管２２に
よって需要先の超低温貯蔵庫２５内に設けられた冷却コ
イル２０と接続され、２次冷媒回路が構成されている。
なお、２３は冷却コイル２０に近接して配設されたデフ
ロスト用ヒータ、２４は被冷却体である。

【００１０】この冷凍装置の１次冷媒回路内には沸点の
異なる複数種類の冷媒からなる混合冷媒、例えば、冷媒
ＲＣ３１８（オクタフルオロシクロブタン）と、冷媒Ｒ
３２（ジフルオロメタン）と、冷媒Ｒ２３（トリフルオ
ロメタン）と、冷媒Ｒ１４（テトラフルオロメタン）
と、冷媒Ｒ５０（メタン）とからなる非共沸混合冷媒
が、２次冷媒回路には冷媒Ｒ１４（テトラフルオロメタ
ン）等が２次冷媒として封入される。

【００１１】次に動作を説明する。

【００１２】圧縮機１から吐出された高温高圧のガス状
混合冷媒は油分離器２に入り、ここで油を分離除去した
後、補助凝縮器３に流入し、ここで冷却水によって例え
ば３０℃程に冷却された後、凝縮器４に流入する。ここ
で帰還冷媒によって例えば１５℃程に更に冷却されるこ
とによりその中の低沸点冷媒、即ち、ＲＣ３１８の全部
とＲ３２の一部が液化して第１気液分離器５に流入す
る。

【００１３】ここで低沸点冷媒ＲＣ３１８の全部とＲ３
２の一部とからなる液状冷媒から高沸点冷媒Ｒ５０、Ｒ
１４、Ｒ２３及び未凝縮のＲ３２からなる残留ガス状冷
媒が分離される。分離された液状冷媒ＲＣ３１８の全部
とＲ３２の一部は第１絞り７で減圧された後、第１中間
熱交換器６の内管に流入し、ここで帰還ガス冷媒と合流
して蒸発する。

【００１４】一方、残留ガス状冷媒Ｒ３２の一部と、Ｒ
２３、Ｒ１４、Ｒ５０の全部は第１中間熱交換器６の外
管を流過する過程で内管を流れる帰還冷媒及び分離され
た残留ガス状冷媒と熱交換することによって例えば−１
５℃程に冷却されることによってその中のＲ３２の全部
とＲ２３の一部が液化する。

【００１５】次いで、この冷媒は第２気液分離器８に流
入しここで液状冷媒と残留ガス冷媒とに分離される。液
状のＲ３２の全部とＲ２３の一部は第２絞り１０で減圧
された後、第２中間熱交換器９の内管に流入し、ここで
帰還冷媒と合流して蒸発する。

【００１６】一方、残留ガス冷媒Ｒ２３の一部とＲ１
４、Ｒ５０の全部は第２中間熱交換器９の外管を流過す
る過程で内管を流れる冷媒によって例えば−４０℃程に
冷却されることによりその中のＲ２３の全部とＲ１４の
一部が液化する。

【００１７】この冷媒は第３気液分離器１１に流入し、
ここで液状冷媒とガス状冷媒とに分離される。液状のＲ
２３とＲ１４の一部は第３絞り１３で減圧された後、第
３中間熱交換器１２の内管に流入し、ここで外管を流れ
る冷媒と合流して蒸発する。

【００１８】一方、残留ガス冷媒Ｒ１４の一部とＲ５０
の全部は第３中間熱交換器１２の外管を流過する過程で
内管を流過する冷媒によって例えば−１７℃程に冷却さ
れることによりその中のＲ１４の全部とＲ５０の一部が
液化して第３気液分離器１４に流入し、ここで液状冷媒
とガス状冷媒とに分離される。

【００１９】液状のＲ１４の一部とＲ５０の全部は第４
絞り１６で減圧された後、第４中間熱交換器１５の内管
に流入し、ここで帰還冷媒と合流して蒸発する。一方、
残留ガス冷媒Ｒ１４の一部とＲ５０の大部分は第４中間
熱交換器１５の外管を流過する過程で内管を流過する冷
媒によって例えば−１００℃程に冷却されることにより
Ｒ１４の全部とＲ５０の相当部分が液化して補助冷却器
１７に流入し、ここで冷却器１９からの帰還冷媒によっ
て例えば−１１５℃程に更に冷却されてＲ５０の大部分
が液化する。

【００２０】これら液化したＲ１４及びＲ５０は第５絞
り１８に減圧されることにより降温して例えば、−１５
５℃程で冷却器１９内管に流入し、ここで蒸発すること
により冷却器１９の外管を流れる２次冷媒を−１５０℃
の低温に冷却する。

【００２１】冷却器１９で蒸発した冷媒は補助冷却器１
７、各中間熱交換器１５、１２、９、６、凝縮器４をこ
の順に通って圧縮機１に帰還する。

【００２２】なお、圧縮機１の吐出配管から吐出冷媒に
混入して流出した潤滑油は油分離器２内で分離され、圧
縮機１への帰還冷媒に合流して圧縮機１に戻される。

【００２３】一方、冷却器１９で冷却された２次冷媒は
自然対流による循環またはポンプ（図示せず）によって
２次冷媒供給管２１に送られ、需要先の超低温貯蔵庫２
５内に設けられた冷却コイル２０に流入し、ここで、超
低温貯蔵庫２５内に設置された被冷却体２４を冷却して
２次冷媒戻り管１２を通って戻ってくる。

【００２４】被冷却体２４を冷却する過程で、冷却コイ
ル２０の表面に着霜が進行する場合があり、これをその
まま放置すると冷却能力が低下するので、図示しない着
霜検知手段によって着霜が検知され、デフロストヒータ
２３に通電され、除霜が行われる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の冷凍装置に
は解決すべき次の課題があった。

【００２６】即ち、従来の間接方式の多段気液分離方式
の超低温冷凍装置においては、２次冷媒蒸発部、即ち冷
却コイル２０の除霜のためデフロストヒータ２３が必要
であり、需要先で超低温貯蔵庫２５内にこれを用意する
ためのスペース、イニシャルコストが嵩むとともに、ヒ
ータ通電のための運転コストが嵩むという問題があっ
た。

【００２７】本発明は上記課題を解決した、除霜用の電
気ヒータ等を有しない冷凍装置を提供することを目的と
する。

【００２８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題の解決
手段として次の（１）、（２）に記載の冷凍装置を提供
しようとするものである。 （１）沸点の異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
圧縮機で圧縮され高温高圧となった混合冷媒を冷却液化
する凝縮器と、この液化された混合冷媒を順次高沸点の
液冷媒とガス冷媒に分離する複数段の気液分離器と、該
気液分離器の液冷媒を減圧する複数の膨張手段と、該膨
張手段によって減圧され、気液混相状態となった冷媒と
前記ガス冷媒を熱交換させる複数段の熱交換器と、最終
段の熱交換器でほぼ完全に液化した低沸点冷媒を減圧
し、蒸発させる冷却器と、上記冷却器で冷却された２次
冷媒を２次冷媒配管を介して需要先の超低温応用装置に
設けられた冷却コイルに循環させ、被冷却体を冷却する
２次冷媒回路を備えてなる冷凍装置において、上記２次
冷媒配管に圧縮機吐出側の高温高圧のガス冷媒よりなる
ホットガスと２次冷媒とを熱交換させる熱交換器を介装
し、圧縮機吐出側に介装された流路切換手段を介してホ
ットガスを上記熱交換器に流過させてなるホットガスデ
フロスト回路を設けたことを特徴とする冷凍装置。 （２）上記（１）記載の冷凍装置において、ホットガス
デフロスト回路の熱交換器を２重管で構成し、内管側に
２次冷媒、外管側にホットガスを流過させてなることを
特徴とする冷凍装置。

【００２９】

【作用】本発明は上記のように構成されるので次の作用
を有する。 （１）上記（１）の構成にあっては需要先の超低温応用
装置に設けられた冷却コイルの表面に着霜が進行したと
き、圧縮機吐出側に介装された流路切換手段を切換え、
２次冷媒配管に介装された熱交換器に圧縮機吐出側の高
温高圧のガス冷媒よりなるホットガスを流過させ、２次
冷媒を加熱、昇温させることができ、これによって冷却
コイル表面に付着した霜を融かし、除霜することができ
る。 （２）上記（２）の構成にあっては上記（１）の構成の
ホットガスデフロスト回路の２次冷媒配管に係る熱交換
器を２重管で構成し、内管側に２次冷媒、外管側にホッ
トガスを流過させるため、熱交換器を簡便かつ合理的に
得られる。

【００３０】

【実施例】本発明の一実施例を図１により説明する。な
お、従来例と同様の構成部材には同符号を付し、必要あ
る場合を除き説明を省略する。

【００３１】図１は本実施例の模式的系統図で、図にお
いて、２６は２重管で形成され、その内管内に２次冷
媒、外管内にホットガスを流過、熱交換させる熱交換器
で、２次冷媒供給管２１に介装されている。また、油分
離器２のガス出口には３方切換弁２７が介装され、３方
切換弁２７と熱交換器２６の外管入口との間にはホット
ガスバイパス管２８が、熱交換器２６の外管出口と３方
切換弁２７より後流の吐出管との間にはホットガス戻り
管２９が接続されている。即ち、熱交換器２６と３方切
換弁２７とホットガスバイパス管２８とホットガス戻り
管２９とでホットガスデフロスト回路３０が形成されて
いる。その他の構成は従来例からデフロストヒータ２３
を除去した構成と同様である。

【００３２】次に上記構成の作用、即ち動作を説明す
る。

【００３３】３方切換弁２７は図示しないタイマによっ
て制御され、所定時間Ａ毎に正規冷凍回路からバイパス
回路たるホットガスデフロスト回路３０に切換わり、そ
の所定時間Ｂ後にホットガスデフロスト回路３０から正
規冷凍回路に戻るようになっている。

【００３４】なお、上記所定時間Ａは冷却コイル２０に
着霜が進行する度合いに応じ設定される。即ち、着霜進
行スピードが速ければ短かく、遅ければ長がく設定され
る。上記所定時間Ｂはその着霜を除霜するに要する時間
に応じて設定される。

【００３５】しかして、冷却コイル２０の表面に着霜が
進行し、図示しないタイマによって３方切換弁２７が正
規冷凍回路からホットガスデフロスト回路３０に切換わ
ると、油分離器２で油を分離、除去された高温高圧のガ
ス冷媒によりなるホットガスはホットガスバイパス管２
８を通って熱交換器２６の外管に流入し、ここでその内
管を流れる２次冷媒を加熱した後、ホットガス戻り管２
９を通って３方切換弁２７の後方の吐出管に戻り正規冷
凍回路に戻る。

【００３６】一方、熱交換器２６で加熱され、昇温した
２次冷媒は２次冷媒供給管２１を通って冷却コイル２０
に流入し、その表面の着霜を融かし除霜する。

【００３７】このように本発明においては冷凍装置内の
２次冷媒回路に３方切換弁２７、ホットガスバイパス管
２８、ホットガス戻し管２９、熱交換器２６よりなるホ
ットガスデフロスト回路３０が形成されているので、従
来のような需要先におけるデフロストヒータの設置は省
略することができる。他の構成、作用については図２に
示す従来のものと同様であり、対応する部材には同じ符
号が付されている。

【００３８】以上の通り、本実施例によれば、所定時間
毎に３方切換弁２７を切換え、ホットガスデフロスト回
路３０にホットガスを貫流させるので２次冷媒供給管２
１を流れる２次冷媒がその間、加温され冷却コイル２０
の表面の着霜を融かし、除霜するという利点がある。

【００３９】また、本実施例によれば、従来のようにデ
フロストヒータや、それを設けるための格別のスペース
を必要としないという利点がある。

【００４０】また、ヒータ通電を必要としないので相応
して運転コストが低減するという利点がある。

【００４１】

【発明の効果】本発明は上記のように構成されるので次
の効果を有する。

【００４２】即ち、本発明においては、圧縮機吐出側の
ホットガスを、２次冷媒と熱交換できるようホットガス
デフロスト回路を設けるので需要先の超低温応用装置に
設けられた冷却コイルの表面に着霜が進行したとき、圧
縮機吐出側に介装された流路切換手段を切換え、２次冷
媒配管に介装された熱交換器に圧縮機吐出側の高温高圧
のガス冷媒よりなるホットガスを流過させ、２次冷媒を
加熱、昇温させることができ、これによって冷却コイル
表面に付着した霜を融かし、除霜することができる。

【００４３】この結果、従来、需要先で超低温応用装置
内に設置していたデフロスト用ヒータは省略することが
でき、使用に簡便な冷凍装置を提供することができる。
そして、これによって、需要先は、従来、必要であった
デフロスト用ヒータ設置スペース、イニシャルコスト、
及びヒータ通電のための運転コストを省くことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る冷凍装置の模式的系統
図、

【図２】従来の冷凍装置の模式的系統図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機 ３ 凝縮器 ５，８，１１，１４ 第１〜第４気液分離器 ６，９，１２，１５ 第１〜第４中間熱交換器 ７，１０，１３，１６ 第１〜第４絞り １８ 絞り １９ 冷却器 ２０ 冷却コイル ２１ ２次冷媒供給管 ２２ ２次冷媒戻り管 ２４ 被冷却体 ２５ 超低温貯蔵庫 ２６ 熱交換器 ２７ ３方切換弁 ２８ ホットガスバイパス管 ２９ ホットガス戻り管 ３０ ホットガスデフロスト回路 １Ｓ，２Ｓ，３Ｓ，４Ｓ 冷却手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 沸点の異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、この圧縮機で圧縮され高温高圧となった混合冷媒を
   冷却液化する凝縮器と、この液化された混合冷媒を順次
   高沸点の液冷媒とガス冷媒に分離する複数段の気液分離
   器と、該気液分離器の液冷媒を減圧する複数の膨張手段
   と、該膨張手段によって減圧され、気液混相状態となっ
   た冷媒と前記ガス冷媒を熱交換させる複数段の熱交換器
   と、最終段の熱交換器でほぼ完全に液化した低沸点冷媒
   を減圧し、蒸発させる冷却器と、上記冷却器で冷却され
   た２次冷媒を２次冷媒配管を介して需要先の超低温応用
   装置に設けられた冷却コイルに循環させ、被冷却体を冷
   却する２次冷媒回路を備えてなる冷凍装置において、上
   記２次冷媒配管に圧縮機吐出側の高温高圧のガス冷媒よ
   りなるホットガスと２次冷媒とを熱交換させる熱交換器
   を介装し、圧縮機吐出側に介装された流路切換手段を介
   してホットガスを上記熱交換器に流過させてなるホット
   ガスデフロスト回路を設けたことを特徴とする冷凍装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の冷凍装置において、ホッ
   トガスデフロスト回路の熱交換器を２重管で構成し、内
   管側に２次冷媒、外管側にホットガスを流過させてなる
   ことを特徴とする冷凍装置。