JPH09145179A

JPH09145179A - 混合冷媒二元式超低温冷凍機

Info

Publication number: JPH09145179A
Application number: JP30554195A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Matsushita; 紘昭松下
Original assignee: Mac KK
Current assignee: Mac KK
Priority date: 1995-11-24
Filing date: 1995-11-24
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】設置及び管理が簡単で安定した動作で冷却作
用を行なわせることができる混合冷媒二元式超低温冷凍
機を得ることである。【解決手段】異なった沸点を有する複数の冷媒の蒸気
相混合物を使用する混合冷媒冷凍回路１１を設け、この
混合冷媒冷凍回路１１とは独立した次元の冷凍回路１２
を圧縮器４０と凝縮器４１と膨張弁４２と冷却器４３と
により形成し、この独立した冷凍回路１２の前記凝縮器
４１と前記混合冷媒冷凍回路１１の前記最終冷却器３８
とを熱的に結合した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、安定した状態で−
１００℃以下の温度を現出することができる冷凍機に関
するものであり、特に、混合冷媒冷凍回路を利用した混
合冷媒二元式超低温冷凍機に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、−１００℃以下の温度を現出する
冷凍機は数少ないが、現に実用化されている二つの形式
の冷凍機を次に説明する。これらの形式の第一のもの
は、冷凍回路を多段に接続する形式のものであり、第二
の形式のものは、混合冷媒冷凍回路と称されるものであ
る。

【０００３】その説明に先立って、一般に利用されてい
る冷凍回路の原理を図４に基づいて説明する。まず、そ
の冷凍回路の装置としては、圧縮器１と凝縮器２と膨張
弁３と冷却器４とが冷媒を封入された閉回路として順次
接続されて構成されている。その作用は、圧縮器１で冷
媒蒸気が圧縮され、凝縮器２の部分では＋３０℃にまで
達する。この凝縮器２の部分で外部の空気又は水と熱交
換されることにより冷媒蒸気は凝縮されて凝縮液が生成
される。この凝縮液は低圧に調節されて膨張弁３で気化
し、冷却器４の部分で冷却効果を発揮し、蒸発された冷
媒は圧縮器１に帰還する。そして、再び圧縮されて同様
なサイクルを繰り返す。このような冷凍回路を一元式冷
凍回路５と称する。この一元式冷凍回路５による冷却温
度の限界は、−４０℃〜−５０℃である。

【０００４】使用される冷媒によって冷凍能力に差が生
じるが、いま、フレオン・ガスＲ−４０３Ｂ（米国冷凍
協会公称）を使用した場合について説明する。このフレ
オン・ガスＲ−４０３ＢのＰ−ｉ線図（モリエル線図）
は図５に示されており、このＰ−ｉ線図に基づいてその
熱力学的性質を説明する。ここで、は圧縮工程であ
り、は凝縮工程であり、は膨張工程であり、は蒸
発工程であり、は吐出冷媒温度＋５０℃の状態を示
す。まず、フレオン・ガスＲ−４０３Ｂの沸点は、ゲー
ジ圧０kg／cm²においては、−４９.５℃ であり、ゲー
ジ圧１５kg／cm²においては、＋３３.１℃ である。圧
縮された冷媒蒸気が空気又は水と熱交換されて冷却凝縮
するためには、＋３３.１℃ −（５〜１０）℃の空気又
は水と熱交換させる必要があり、空気又は水で＋３３.
１℃ −（５〜１０）℃の温度を得ることは可能であ
る。凝縮液となった冷媒は、例えば、１kg／cm² に調節
して気化させると、約−３５.１℃ の低温を現出する。
冷凍回路における凝縮圧力（高圧）１５kg／cm²、蒸発
圧力（低圧）１kg／cm²は、健全な状態であるため、一
元式冷凍回路５におけるフレオン・ガスＲ−４０３Ｂの
使用は可能であり、これにより、−３５℃以下の低温を
現出させることができる。

【０００５】つぎに、従来の第一の形式のものとして一
元式冷凍回路５を複合して更に低温を得るようにした二
元式冷凍回路６があり、これを図６に示す。この二元式
冷凍回路６は、二組の一元式冷凍回路５を組み合わせた
ものであり、一段目の一元式冷凍回路５の冷却器４と二
段目の一元式冷凍回路５の凝縮器２とを同一雰囲気中に
配置して熱交換器７を形成している。そのため、一段目
の一元式冷凍回路５の動作は前述の通りであり、冷却器
４で冷凍作用を示すが、この冷却器４により二段目の凝
縮器２の熱を冷却する。そのため、二段目の凝縮器２
は、−４０℃〜−５０℃の温度で冷却されることにな
り、二段目の冷却器４での冷却温度は、−７０℃〜−８
０℃にまで達する。

【０００６】具体的には、一段目の冷凍回路で使用され
る冷媒は、前述のようにフレオン・ガスＲ−４０３Ｂで
あるが、二段目の冷凍回路で使用される冷媒は、フレオ
ン・ガスＲ−２３（米国冷凍協会公称）である。このフ
レオン・ガスＲ−２３の沸点は、ゲージ圧０kg／cm²に
おいては、−８２.０℃であり、ゲージ圧１０kg／cm²に
おいては、−３０℃である。圧縮された冷媒蒸気が熱交
換されて冷却凝縮するためには、−３０℃より５℃位低
温の冷却媒体が必要であるが、一段目の冷凍回路で現出
した−３５℃の冷媒と熱交換することによって冷却凝縮
されることが可能である。このように冷却凝縮されて液
化した冷媒は、０.５kg／cm²に調節されて気化させる
と、約−７５℃の低温を現出する。冷凍回路における凝
縮圧力（高圧）１０kg／cm² 、蒸発圧力（低圧）０.５k
g／cm²は、健全な状態であるため、二元式冷凍回路６に
おけるフレオン・ガスＲ−２３の使用は可能であり、こ
れにより、−７５℃以下の低温を現出させることができ
る。この状態は、図８に示す一部を抜粋したＰ−ｉ線図
により明らかである。

【０００７】さらに、低温を現出させることができる冷
凍回路としては、図７に示されるような三元式冷凍回路
８が実施されている。この三元式冷凍回路８は、三つの
一元式冷凍回路５を組み合わせたもの、或いは、二元式
冷凍回路６にさらに一元式冷凍回路５を接続したものと
認識される。すなわち、一段目の冷却器４と二段目の凝
縮器２とにより第一の熱交換器９を形成し、二段目の冷
却器４と三段目の凝縮器２とにより第二の熱交換器１０
を形成している。そのため、第一の熱交換器９の部分で
は、二段目の凝縮器２が−４０℃〜−５０℃の温度で冷
却されることになり、第二の熱交換器１０の部分では、
三段目の凝縮器２が−７０℃〜−８０℃の温度で冷却さ
れることになる。そのため、三段目の冷却器４での冷却
温度を−１２０℃〜−１３０℃にまですることができ
る。このように−１００℃以下の温度を現出させるため
には、三元式冷凍回路８を採用することにより可能なも
のである。

【０００８】この三元式冷凍回路８に使用される冷媒
は、一段目にフレオン・ガスＲ−４０３Ｂであり、二段
目にフレオン・ガスＲ−２３であり、三段目にフレオン
・ガスＲ−１４（米国冷凍協会公称）である。このフレ
オン・ガスＲ−１４の沸点は、ゲージ圧０kg／cm²にお
いては、−１２８.０℃であり、ゲージ圧１６kg／cm²
においては、−７０℃である。圧縮された冷媒蒸気が熱
交換されて冷却凝縮するためには、−７０℃より５℃位
低温の冷却媒体が必要であるが、二段目の冷凍回路で現
出した−７５℃の冷媒と熱交換することによって冷却凝
縮されることが可能である。このように冷却凝縮されて
液化した冷媒は、０.５kg／cm²に調節されて気化させる
と、約−１２２℃の低温を現出する。冷凍回路における
凝縮圧力（高圧）１６kg／cm² 、蒸発圧力（低圧）０.
５kg／cm²は、健全な状態であるため、二元式冷凍回路
６におけるフレオン・ガスＲ−１４の使用は可能であ
り、これにより、−１２２℃の低温を現出させることが
できる。この状態は、図８に示すＰ−ｉ線図により明ら
かである。

【０００９】前述のそれぞれの多元式冷凍回路におい
て、共通して云えることは、前段の冷凍回路の蒸発温度
は、後段の冷凍回路の凝縮温度より低温でなければなら
ないことと、前段の冷凍回路の冷凍能力（蒸発能力）が
後段の冷凍回路の凝縮能力より大きくなくてはならない
と云うことである。

【００１０】つぎに、第二の形式のものは、混合冷媒冷
凍回路と称されるものであり、異なった沸点を有する複
数の冷媒の蒸気相混合物を利用するものである。その一
例として実公昭５５−２３７４号公報にその技術は説明
されている。すなわち、異なった沸点を有する複数の冷
媒の蒸気相混合物を用い、沸点の高い冷媒により沸点の
低い冷媒を順次冷却するように複数段の中間冷却ステー
ジを連設したものである。すなわち、異なった沸点を有
する複数の冷媒の蒸気相混合物を圧縮するための一台の
圧縮機と、圧縮された冷媒蒸気を部分的に凝縮して圧縮
凝縮液と未凝縮の圧縮蒸気からなる混合物を形成する複
数の凝縮器と、圧縮凝縮液と未凝縮の圧縮蒸気とを分離
する複数の気液分離器からなる。中間の凝縮器を通過後
の気液分離器中の圧縮凝縮液は通過する次段の凝縮器に
低圧気化蒸発して冷却凝縮効果を発揮し、圧縮器に帰還
する。未凝縮圧縮蒸気は、次段の凝縮器を通過し、部分
凝縮される。このようにして異なった沸点を有する複数
の冷媒が順次凝縮、蒸発を行ない、最終低沸点冷媒が低
圧調節されて気化蒸発し、低温を現出する。その後、中
間凝縮器を帰路として他の冷媒蒸気とともに圧縮器に帰
還し、再び圧縮されて前述の冷凍サイクルを繰り返す。
この混合冷媒冷凍回路によれば、−１２０℃〜−１３０
℃の温度を現出することができる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
混合冷媒冷凍回路の冷却部に、次元の独立して完成され
た冷却器を備えた冷凍回路の凝縮器を熱的に結合したも
のである。

【００１２】請求項２記載の発明は、混合冷媒冷凍回路
を、異なった沸点を有する複数の冷媒の蒸気相混合物を
圧縮する圧縮器と、この圧縮器により圧縮された冷媒蒸
気を部分的に凝縮して圧縮凝縮液と未凝縮の圧縮蒸気と
からなる混合物を形成するための凝縮器と、気液分離器
と膨張弁と圧縮凝縮液の気化熱により未凝縮の圧縮蒸気
を冷却する熱交換器とを備えて複数段接続された中間冷
却ステージと、これらの中間冷却ステージの最終段に位
置して膨張弁と最終冷却器とを備えた最終冷却ステージ
とより構成したものである。

【００１３】請求項３記載の発明は、混合冷媒冷凍回路
とは独立した次元の冷凍回路を圧縮器と凝縮器と膨張弁
と冷却器とにより形成したものである。

【００１４】請求項４記載の発明は、混合冷媒冷凍回路
が、−１００℃以下の温度を現出するようにしたもので
ある。

【００１５】請求項５記載の発明は、異なった沸点を有
する複数の冷媒の蒸気相混合物を圧縮する圧縮器と、こ
の圧縮器により圧縮された冷媒蒸気を部分的に凝縮して
圧縮凝縮液と未凝縮の圧縮蒸気とからなる混合物を形成
するための凝縮器と、気液分離器と膨張弁と圧縮凝縮液
の気化熱により未凝縮の圧縮蒸気を冷却する熱交換器と
を備えて複数段接続された中間冷却ステージと、これら
の中間冷却ステージの最終段に位置して膨張弁と最終冷
却器とを備えた最終冷却ステージとよりなる混合冷媒冷
凍回路を設け、この混合冷媒冷凍回路とは独立した次元
の冷凍回路を圧縮器と凝縮器と膨張弁と冷却器とにより
形成し、この独立した冷凍回路の前記凝縮器と前記混合
冷媒冷凍回路の前記最終冷却器とによりカスケードコン
デンサを形成したものである。

【００１６】請求項６記載の発明は、次元の冷凍回路に
圧縮器で圧縮加熱された冷媒を冷却器に供給するホット
ガス給送路を形成したものである。

【００１７】請求項７記載の発明は、次元の冷凍回路の
圧縮器とカスケードコンデンサとの間に圧縮蒸気切換弁
を設け、この圧縮蒸気切換弁と前記圧縮器との間と膨張
弁と冷却器との間とをホットガス送り弁を介して接続し
たものである。

【００１８】請求項８記載の発明は、次元の冷凍回路の
カスケードコンデンサと膨張弁との間の冷媒圧力を検出
する過冷却防止用スイッチを設け、この過冷却防止用ス
イッチの開閉に応じて混合冷媒冷凍回路の運転を制御す
る混合冷媒冷凍回路運転制御手段を設けたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図１乃至
図３に基づいて説明する。本実施の形態においては、前
段に混合冷媒冷凍回路１１が配設され、後段に次元の冷
凍回路として独立した回路により形成された冷凍回路１
２が配設されているものである。

【００２０】まず、前段の混合冷媒冷凍回路１１は、異
なった沸点を有する複数の冷媒の蒸気相混合物を使用す
るものである。そして、その装置として圧縮器１３を備
え、この圧縮器１３には、凝縮器１４と補助コンデンサ
１５とが接続されている。この補助コンデンサ１５は、
冷却側１６と被冷却側１７とを備えている。また、前記
補助コンデンサ１５には、第一・第二・第三の中間冷却
ステージ１８，１９，２０が接続されている。これらの
第一・第二・第三の中間冷却ステージ１８，１９，２０
は、冷却側２１と被冷却側２２とよりなる一次熱交換器
２３・二次熱交換器２４・三次熱交換器２５と、一次気
液分離器２６・二次気液分離器２７・三次気液分離器２
８と、一次膨張弁２９・二次膨張弁３０・三次膨張弁３
１とよりなる。そして、補助コンデンサ１５の被冷却側
１７に接続された一次気液分離器２６は、一次熱交換器
２３の被冷却側２２と一次膨張弁２９に接続され、この
一次膨張弁２９は、一次熱交換器２３の冷却側２１に接
続されている。この一次熱交換器２３の被冷却側２２に
接続された二次気液分離器２７は、二次熱交換器２４の
被冷却側２２と二次膨張弁３０に接続され、この二次膨
張弁３０は、二次熱交換器２４の冷却側２１に接続され
ている。また、二次熱交換器２４の被冷却側２２に接続
された三次気液分離器２８は、三次熱交換器２５の被冷
却側２２と三次膨張弁３１に接続され、この三次膨張弁
３１は、三次熱交換器２５の冷却側２１に接続されてい
る。ついで、前記第三の中間冷却ステージ２０は、冷却
側３２と被冷却側３３とよりなる四次熱交換器３４と四
次膨張弁３５とに接続され、さらに、最終冷却ステージ
３６に接続されている。この最終冷却ステージ３６は、
最終膨張弁３７を備え、かつ、最終冷却器３８が内蔵さ
れたカスケードコンデンサ３９とよりなる。

【００２１】ついで、前述の混合冷媒冷凍回路１１の後
段には、次元の冷凍回路として独立した回路により形成
された冷凍回路１２が配設されている。この冷凍回路１
２は、冷媒回路としては前記混合冷媒冷凍回路１１と独
立しているものであり、冷媒としてはフレオン・ガスＲ
−１４（米国冷凍協会公称）が用いられる。このフレオ
ン・ガスＲ−１４のＰ−ｉ線図（モリエル線図）は、図
２に示されている。ここで、は圧縮工程であり、は
凝縮工程であり、は膨張工程であり、は蒸発工程で
あり、は吐出冷媒温度＋７０℃の状態を示す。そし
て、圧縮器４０と凝縮器４１と膨張弁４２と冷却器４３
とがループ状の閉回路として形成され、前記凝縮器４１
は前記カスケードコンデンサ３９の一部となっているも
のである。また、次元の冷凍回路１２の圧縮器４０とカ
スケードコンデンサ３９との間に圧縮蒸気切換弁４４が
設けられ、この圧縮蒸気切換弁４４と前記圧縮器４０と
の間と前記膨張弁４２と前記冷却器４３との間とはホッ
トガス送り弁４５を介して接続されている。

【００２２】また、次元の冷凍回路１２の前記カスケー
ドコンデンサ３９と前記膨張弁４２との間の冷媒圧力を
検出する過冷却防止用スイッチ４６が設けられ、この過
冷却防止用スイッチ４６の開閉に応じて前記混合冷媒冷
凍回路１１の運転を制御する図示しない混合冷媒冷凍回
路運転制御手段が設けられている。

【００２３】このような構成において、冷凍回路１２の
冷却器４３は、冷却すべき箇所、例えば、冷凍室等に設
置される。この状態で混合冷媒冷凍回路１１と冷凍回路
１２とを運転する。まず、混合冷媒冷凍回路１１におい
ては、圧縮器１３により異なった沸点を有する複数の冷
媒の蒸気相混合物が圧縮され、凝縮器１４で熱交換され
た上で補助コンデンサ１５で冷却され、一次気液分離器
２６で気体と液体とに分離され、液体成分は一次膨張弁
２９で膨張されて中間冷却ステージ１８の一次熱交換器
２３の冷却側２１に送り込まれ、一次気液分離器２６で
分離された気体成分を冷却し、その温度に応じて一部を
液化する。この一次熱交換器２３を経た気液混合物は、
二次気液分離器２７で気体と液体とに分離され、液体成
分は二次膨張弁３０で膨張されて中間冷却ステージ１９
の二次熱交換器２４の冷却側２１に送り込まれ、二次気
液分離器２７で分離された気体成分を冷却し、その温度
に応じて一部を液化する。この二次熱交換器２４を経た
気液混合物は、三次気液分離器２８で気体と液体とに分
離され、液体成分は三次膨張弁３１で膨張されて中間冷
却ステージ２０の三次熱交換器２５の冷却側２１に送り
込まれ、三次気液分離器２８で分離された気体成分を冷
却し、その温度に応じて一部を液化する。そして、さら
に四次熱交換器３４で冷却された後に、その一部は膨張
弁３５で膨張して四次熱交換器３４により冷却作用に寄
与し、かつ、最終膨張弁３７で膨張して最終冷却器３８
で冷却作用を行なう。

【００２４】このように混合冷媒冷凍回路１１において
は、第一・第二・第三の中間冷却ステージ１８，１９，
２０と最終段冷却ステージ３６を順次経た状態で順次低
温化し、最終冷却部３８では、−１００℃以下の低温を
現出する。この混合冷媒冷凍回路１１の仮想のＰ−ｉ線
図（モリエル線図）とフレオン・ガスＲ−１４のＰ−ｉ
線図との関係を図３に示した。

【００２５】この状態で冷却された最終冷却器３８で
は、冷凍回路１２の圧縮器４０で圧縮された冷媒を冷却
するため、冷凍回路１２の冷却器４３部分では、−１２
０℃〜−１３０℃の低温が現出する。すなわち、使用さ
れている冷媒は、前述のようにフレオン・ガスＲ−１４
であり、このフレオン・ガスＲ−１４の熱力学的性質
は、ゲージ圧０kg／cm²において沸点が−１２８℃であ
り、ゲージ圧１１kg／cm²では−８０℃である。そのた
め、この冷媒蒸気が熱交換されて冷却凝縮するために
は、−８０℃より低温であればあるほど完全凝縮液化さ
れる。前述のように、混合冷媒冷凍回路１１によって−
１００℃が現出されるため、次段の冷凍回路１２では圧
縮蒸気が完全に冷却凝縮されて液化される。この液化し
た冷媒は、０.５kg／cm²に調節されて気化されると、約
−１２２℃の低温を現出する。

【００２６】このように次元の冷凍回路１２において、
凝縮圧力（高圧）１１kg／cm²、蒸発圧力０.５kg／cm²
（低圧）は、健全な状態であると云え、混合冷媒冷凍回
路１１とは独立して設けられた冷凍回路１２にフレオン
・ガスＲ−１４が使用可能であり、これにより、約−１
２２℃の低温を現出することができるものである。

【００２７】しかして、混合冷媒冷凍回路１１と冷凍回
路１２とは、それぞれの回路が互いに独立しているた
め、その設置が容易であり、装置の管理等も簡単に行な
える。特に、混合冷媒冷凍回路１１に着目すれば、最終
的な冷却器４３との間に冷凍回路１２が介在しているこ
とから、混合冷媒冷凍回路１１自体に過大な負荷が掛か
ることがなく、また、負荷変動の影響も受けにくい。そ
のため、混合冷媒冷凍回路１１の安定した運転を行なう
ことができる。しかも、最終的な冷却器４３を備えた冷
凍回路１２も独立した一段の構造であるため、その冷凍
要素の管理や安定的な運転が容易である。

【００２８】なお、−１００℃の温度を現出するシステ
ムとして、混合冷媒冷凍回路を利用した超低温蒸発シス
テムが存する。この超低温蒸発システムは、超低温蒸発
側に完成された冷凍回路を利用しないで、サーマル・サ
イホン原理を利用した冷凍装置であるが、これは、二次
冷媒と称される密閉回路に封入された冷媒が、混合冷媒
冷凍回路の冷却部に熱交換されることによって発生する
冷媒の液相と気相の密度差及び重量によって循環すると
云う原理の利用であり、強制循環される本発明の実施の
形態で説明した冷凍回路とは甚だしく異なるものであ
る。

【００２９】ついで、運転を継続していると、冷却器４
３部分に着霜し、それを除霜しなければならない状態に
なる。この時には、圧縮蒸気切換弁４４を閉じ、ホット
ガス送り弁４５を開く。これにより、圧縮器４０で圧縮
されて温度上昇した冷媒が冷却器４３に直接送り込ま
れ、その冷却器４３を内部から加熱する。すなわち、凝
縮圧力（高圧）１１kg／cm² に冷却凝縮される直前で
は、＋７０℃にまで温度上昇している。そのため、圧縮
器４０で圧縮されて温度上昇した冷媒が冷却器４３に直
接送り込まれて冷却器４３を急速に除霜する（ホットガ
ス除霜作用）。この除霜が終了すれば、圧縮蒸気切換弁
４４を開き、ホットガス送り弁４５を閉じて通常の冷凍
動作を行なわせる回路を復活させる。このような除霜動
作は、冷却器４３部分の霜を検出して自動的に行なわせ
ても良く、また、時間制御により自動的に行なわせても
良く、さらには、必要に応じて手動により行なわせても
良い。

【００３０】なお、冷凍装置には、蒸発器が霜や氷に覆
われた時、冷凍運転を中断して除霜するシステムがあ
る。例えば、米国特許明細書第２２７１７７０号に開示
されている圧縮式冷凍装置の除霜方法は、圧縮器からの
冷媒を凝縮器に送らないで、別に設けられた加熱器を通
して蒸発器に供給し、高温冷媒により蒸発器表面に付着
した霜を溶解するものである。すなわち、圧縮器の圧力
が除霜の際に不可欠となっている点は本発明の実施の形
態と同様であるが、本発明の実施の形態においては、加
熱器を用いていない点で基本的に相違している。

【００３１】また、始動時には、混合冷媒冷凍回路１１
の運転を先行して行なわせ、最終冷却器３８の温度があ
る程度低下してから冷凍回路１２の運転を開始すること
が必要である。すなわち、初めに混合冷媒冷凍回路１１
を起動し、次元の独立して完成された冷凍回路１２の凝
縮器４１を冷却するための立上り時間が必要である。し
かしながら、冷凍回路１２を起動するまでの時間が長す
ぎた場合には、その冷凍回路１２内の冷媒は強烈に冷却
凝縮を進めて液化する。そのため、その状態で冷凍回路
１２を起動することは、冷媒蒸気の希薄な状態での圧縮
動作になるため、圧縮器４０に物理的支障を発生させる
危険性がある。このようなことから、混合冷媒冷凍回路
１１を起動してからは、過冷却防止用スイッチ４６の状
態が観察される。すなわち、過冷却防止用スイッチ４６
は、凝縮器４１部分のガス圧を常時検出し、混合冷媒冷
凍回路１１の運転継続によりその凝縮器４１部分のガス
圧が予め設定した値以上に低下した場合には、混合冷媒
冷凍回路運転制御手段により、混合冷媒冷凍回路１１の
運転を停止させる。この状態は、すぐにでも冷凍回路１
２を起動することができる状態であり、いわば待機状態
である。そして、混合冷媒冷凍回路１１の運転が中断す
れば、最終冷却器３８による冷却動作が中断しているた
め、凝縮器４１部分のガス圧は上昇する。そのため、そ
のガス圧が設定圧以上になった場合には、過冷却防止用
スイッチ４６が切り替わり、混合冷媒冷凍回路１１の運
転を再開する。この過冷却防止用スイッチ４６のオン・
オフを繰り返して冷凍回路１２に悪影響を与えることな
く、かつ、常に冷却動作を行なわせることができるよう
な待機状態を具現化する。

【００３２】このように形成された混合冷媒二元式超低
温冷凍機は、真空装置に利用される。まず、従来の真空
装置における排気機器には、次のようなものがある。こ
こで、排気機器の種類と排気機能を発揮する真空範囲と
を明記した。

【００３３】１．油回転ポンプ７６０〜１×１０~²Ｔorr ２．メカニカルルーツポンプ１０〜５×１０~³Ｔorr ３．ドライポンプ４．油拡散エゼェクター１×１０~¹〜５×１０~⁴Ｔorr ５．油拡散ポンプ５×１０~²〜１×１０~⁷Ｔorr ６．ターボ分子ポンプ７．ヘリュームクライオポンプしかして、排気機能を発揮する真空範囲が示すように、
大気圧（７６０Ｔorr）より１×１０~⁷Ｔorrに至る為に
は、逐次ポンプを稼動させて順次真空度を高めていく方
法が採用されている。

【００３４】一般的な真空装置の排気ポンプの構成は、Ａ．油回転ポンプ７６０〜１×１０~²Ｔorr Ｂ．メカニカルルーツポンプ１０〜５×１０~³Ｔorr Ｃ．油拡散ポンプ５×１０~²〜１×１０~⁷Ｔorr と云う組み合わせである。すなわち、油回転ポンプのみ
では、１×１０~⁷Ｔorrまでの高真空には到達できない
し、油拡散ポンプのみでは、大気圧から作動させること
ができない。上記の構成のものを速やかに作動させるた
めには、各ポンプを常時稼動させていて、逐次、真空バ
ルブを切り換えて排気機能を発揮する真空範囲でそれぞ
れ作動させる。また、高真空にした真空槽の真空を破壊
する(真空槽をリークする)時も各真空バルブを密閉にし
て真空を破壊し、各ポンプを大気圧に曝さないようにす
る。このような方法は、多くの部品の構成と複雑な作動
システムの確保のため、到達圧力に時間が必要であり、
非常に高価な装置になると云う問題がある。より高能力
(高真空)、大容量(高速排気)を必要とした時は、益々高
価なものとなる。

【００３５】そこで、真空装置に冷凍機を併用すること
により主排気ポンプの能力を軽減することができるもの
であるが、その原理及び利用状態を以下に説明する。す
なわち、真空チャンバー内の水分を除去することにより
排気速度の向上に貢献することができるものであるが、
それは水分分子が圧力に応じて体積変化することに起因
している。いま、水蒸気の圧力変化による体積膨張の度
合いを表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】この表１によると、真空チャンバー中に１
ｇの水分があるとした時、その真空チャンバー内を１×
１０~⁶Ｔorrにすると、水分は蒸発して１０億リットル
の水蒸気に膨張するものである。この水分を膨張させる
ことなく凝結させれば、１ｇの氷となり、真空装置にお
ける主排気ポンプの能力を軽減する。超低温の冷却器が
真空装置内の水分を凝縮し、排気速度に効率的な理由
は、水の飽和蒸気圧に関係する。水の飽和蒸気圧と温度
とは相互に関係があり、一定の温度のもとでは一定の圧
力を示す。ここで、理論数値による水の飽和蒸気圧力を
表２に示す。

【００３８】

【表２】

【００３９】表２によると、１.０×１０~⁵Ｔorrの真空
チャンバーの中で水分を凝結するには、−１００℃に冷
却された冷却部が必要である。−９０℃の冷却部では、
１.０×１０~⁵Ｔorrの真空チャンバー内では水分分子を
凝縮することができず、吸着効果（排気能力）がない。
ここで、吸着効果と表現するのは、水分分子が冷却部に
吸着されるためである。すなわち、通常、真空チャンバ
ー内の分子は、秒速何百米のスピードで反射して飛びか
っているが、水分分子は超低温壁に当たると、反射しな
いでそのまま吸着される。一般的に、真空チャンバー内
の分子は、低温域に向かうとも云われている。このよう
なことから、油拡散ポンプの口径が排気速度に比例する
ことと同様に、冷却部も面積の大きいほど水分分子が衝
突する面積が大きくなり、排気能力に貢献する。

【００４０】前述の水の物理的性質により、超低温に冷
却された冷却器が真空装置内の水分吸着に能力を発揮
し、排気速度の向上に効果的であることが説明できた。
つぎに、真空装置の排気作動にいかに連動して超低温の
冷却部が作用するかを説明する。混合冷媒二元式冷凍機
は、大気圧、常温時から冷却を開始することができる。
そのため、真空装置の粗引きと同時に冷却を開始し、粗
引き中から水分吸着を始め、粗引き時間をも短縮する。
この粗引き中にかなりの水分分子を吸着するので、本引
き開始時には、急激な排気効果を主排気ポンプは発揮す
ることができる。また、真空を破壊（リーク）する時に
は、混合冷媒二元式冷凍機が前述のようにホットガス除
霜作用によって冷却部に吸着した霜を急激に融解して真
空槽が大気に開放された時には、冷却部は加熱されてお
り、結露なく再生された吸着部として待機する。しか
も、その動作は非常に早いため、充分に真空の破壊（リ
ーク）速度に追従させることができる。

【００４１】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、混合冷媒冷凍回
路の冷却部に、次元の独立して完成された冷却器を備え
た冷凍回路の凝縮器を熱的に結合したので、混合冷媒冷
凍回路に過大な負荷を掛けることなくその混合冷媒冷凍
回路を円滑に運転することができ、しかも、次元の冷凍
回路が独立していることから、真空装置等への設置が容
易であり、メンテナンスも簡単になり、構造も簡易でよ
いものである。

【００４２】請求項２記載の発明は、混合冷媒冷凍回路
を、異なった沸点を有する複数の冷媒の蒸気相混合物を
圧縮する圧縮器と、この圧縮器により圧縮された冷媒蒸
気を部分的に凝縮して圧縮凝縮液と未凝縮の圧縮蒸気と
からなる混合物を形成するための凝縮器と、気液分離器
と膨張弁と圧縮凝縮液の気化熱により未凝縮の圧縮蒸気
を冷却する熱交換器とを備えて複数段接続された中間冷
却ステージと、これらの中間冷却ステージの最終段に位
置して膨張弁と最終冷却器とを備えた最終冷却ステージ
とより構成したので、既存の完成された混合冷媒冷凍回
路を利用することができるものである。

【００４３】請求項３記載の発明は、混合冷媒冷凍回路
とは独立した次元の冷凍回路を圧縮器と凝縮器と膨張弁
と冷却器とにより形成したので、真空装置等への設置が
容易であり、メンテナンスも簡単になり、構造も簡易で
よいものである。

【００４４】請求項４記載の発明は、混合冷媒冷凍回路
が、−１００℃以下の温度を現出するようにしたので、
次元の冷凍回路で使用する冷媒の選定が容易なものであ
る。

【００４５】請求項５記載の発明は、異なった沸点を有
する複数の冷媒の蒸気相混合物を圧縮する圧縮器と、こ
の圧縮器により圧縮された冷媒蒸気を部分的に凝縮して
圧縮凝縮液と未凝縮の圧縮蒸気とからなる混合物を形成
するための凝縮器と、気液分離器と膨張弁と圧縮凝縮液
の気化熱により未凝縮の圧縮蒸気を冷却する熱交換器と
を備えて複数段接続された中間冷却ステージと、これら
の中間冷却ステージの最終段に位置して膨張弁と最終冷
却器とを備えた最終冷却ステージとよりなる混合冷媒冷
凍回路を設け、この混合冷媒冷凍回路とは独立した次元
の冷凍回路を圧縮器と凝縮器と膨張弁と冷却器とにより
形成し、この独立した冷凍回路の前記凝縮器と前記混合
冷媒冷凍回路の前記最終冷却器とによりカスケードコン
デンサを形成したので、混合冷媒冷凍回路に過大な負荷
を掛けることなくその混合冷媒冷凍回路を円滑に運転す
ることができ、しかも、既存の完成された混合冷媒冷凍
回路の利用ができ、また、次元の冷凍回路が独立してい
ることから、真空装置等への設置が容易であり、メンテ
ナンスも簡単になり、構造も簡易でよい。

【００４６】請求項６記載の発明は、次元の冷凍回路に
圧縮器で圧縮加熱された冷媒を冷却器に供給するホット
ガス給送路を形成したので、加熱器等を設けることなく
有効な除霜を行なうことができるものである。

【００４７】請求項７記載の発明は、次元の冷凍回路の
圧縮器とカスケードコンデンサとの間に圧縮蒸気切換弁
を設け、この圧縮蒸気切換弁と前記圧縮器との間と膨張
弁と冷却器との間とをホットガス送り弁を介して接続し
たので、簡単に除霜機能を付与することができる。

【００４８】請求項８記載の発明は、次元の冷凍回路の
膨張弁とカスケードコンデンサとの間の冷媒圧力を検出
する過冷却防止用スイッチを設け、この過冷却防止用ス
イッチの開閉に応じて混合冷媒冷凍回路の運転を制御す
る混合冷媒冷凍回路運転制御手段を設けたので、混合冷
媒冷凍回路を先行させて起動させても直ちに冷却動作を
行なうことができる状態に待機させることができ、これ
により、次元の独立した冷凍回路に負担を与えることが
なく、しかも、省エネルギーをも達成することができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示す回路図である。

【図２】フレオン・ガスＲ−１４のＰ−ｉ線図である。

【図３】混合冷媒冷凍回路の仮想のＰ−ｉ線図と次元の
冷凍回路との冷媒のＰ−ｉ線図との相対的な関係を示す
関係図である。

【図４】冷凍回路の原理を説明する回路図である。

【図５】フレオン・ガスＲ−１４のＰ−ｉ線図である。

【図６】従来の二元式冷凍回路の回路図である。

【図７】従来の三元式冷凍回路の回路図である。

【図８】三元式冷凍回路における冷媒の相対的な関係を
示すＰ−ｉ線図である。

【符号の説明】

１１混合冷媒冷凍回路１２冷凍回路１３圧縮器１４凝縮器１８中間冷却ステージ１９中間冷却ステージ２０中間冷却ステージ２３熱交換器２４熱交換器２５熱交換器２６気液分離器２７気液分離器２８気液分離器２９膨張弁３０膨張弁３１膨張弁３６最終冷却ステージ３７最終膨張弁３８最終冷却器３９カスケードコンデンサ４０圧縮器４１凝縮器４２膨張弁４３冷却器４４圧縮蒸気切換弁４５ホットガス送り弁４６過冷却防止用スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】混合冷媒冷凍回路の冷却部に、次元の独
立して完成された冷却器を備えた冷凍回路の凝縮器を熱
的に結合したことを特徴とする混合冷媒二元式超低温冷
凍機。
【請求項２】混合冷媒冷凍回路は、異なった沸点を有
する複数の冷媒の蒸気相混合物を圧縮する圧縮器と、こ
の圧縮器により圧縮された冷媒蒸気を部分的に凝縮して
圧縮凝縮液と未凝縮の圧縮蒸気とからなる混合物を形成
するための凝縮器と、気液分離器と膨張弁と圧縮凝縮液
の気化熱により未凝縮の圧縮蒸気を冷却する熱交換器と
を備えて複数段接続された中間冷却ステージと、これら
の中間冷却ステージの最終段に位置して膨張弁と最終冷
却器とを備えた最終冷却ステージとよりなることを特徴
とする請求項１記載の混合冷媒二元式超低温冷凍機。
【請求項３】混合冷媒冷凍回路とは独立した次元の冷
凍回路は圧縮器と凝縮器と膨張弁と冷却器とにより形成
されていることを特徴とする請求項１記載の混合冷媒二
元式超低温冷凍機。
【請求項４】混合冷媒冷凍回路は、−１００℃以下の
温度を現出することを特徴とする請求項１記載の混合冷
媒二元式超低温冷凍機。
【請求項５】異なった沸点を有する複数の冷媒の蒸気
相混合物を圧縮する圧縮器と、この圧縮器により圧縮さ
れた冷媒蒸気を部分的に凝縮して圧縮凝縮液と未凝縮の
圧縮蒸気とからなる混合物を形成するための凝縮器と、
気液分離器と膨張弁と圧縮凝縮液の気化熱により未凝縮
の圧縮蒸気を冷却する熱交換器とを備えて複数段接続さ
れた中間冷却ステージと、これらの中間冷却ステージの
最終段に位置して膨張弁と最終冷却器とを備えた最終冷
却ステージとよりなる混合冷媒冷凍回路を設け、この混
合冷媒冷凍回路とは独立した次元の冷凍回路を圧縮器と
凝縮器と膨張弁と冷却器とにより形成し、この独立した
冷凍回路の前記凝縮器と前記混合冷媒冷凍回路の前記最
終冷却器とによりカスケードコンデンサを形成したこと
を特徴とする請求項１記載の混合冷媒二元式超低温冷凍
機。
【請求項６】次元の冷凍回路に圧縮器で圧縮加熱され
た冷媒を冷却器に供給するホットガス給送路を形成した
ことを特徴とする請求項１記載の混合冷媒二元式超低温
冷凍機。
【請求項７】次元の冷凍回路の圧縮器とカスケードコ
ンデンサとの間に圧縮蒸気切換弁を設け、この圧縮蒸気
切換弁と前記圧縮器との間と膨張弁と冷却器との間とを
ホットガス送り弁を介して接続したことを特徴とする請
求項１記載の混合冷媒二元式超低温冷凍機。
【請求項８】次元の冷凍回路のカスケードコンデンサ
と膨張弁との間の冷媒圧力を検出する過冷却防止用スイ
ッチを設け、この過冷却防止用スイッチの開閉に応じて
混合冷媒冷凍回路の運転を制御する混合冷媒冷凍回路運
転制御手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の混
合冷媒二元式超低温冷凍機。