JP2004510944A - 極低温冷凍システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍システムを連続して運転する場合も、安定した性能を維持し、機器の信頼度を確保する。
【解決手段】混合冷媒を多段階で凝縮と蒸発を繰り返して低温を順次生成して極低温を得るため、最終蒸発器と圧縮器１との間には、圧縮器１の吸入管路上の蒸発冷媒は加熱させて圧縮器１に吸入させ、凝縮器２で凝縮した冷媒は過冷させる熱交換器３と、熱交換器３で凝縮した冷媒を液体成分と気体成分とに分離させる気液分離器とを含み、圧縮器１と最終蒸発器との間に膨張吸入器を多段階で連結し、最終膨張吸入器を通った凝縮冷媒は最終蒸発器の下部の熱交換器３を介して膨張器を経て蒸発器内に噴射され、蒸発器内で蒸発が完了された冷媒は蒸発冷媒移動管と連通した蒸発管の管路に沿って圧縮器１に還流される極低温冷凍システムであって、膨張吸入器の混合冷媒を段階別に選択して冷凍効率と冷媒の流動性を高め、連続して安定に稼働でき、圧縮方式で最も低い温度が得られる利点を有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管内の流体の流速が速くなるとき、管内の圧力が低くなるベルヌイの定理を冷凍サイクルシステムに適用した多段膨張吸入方式によって、冷凍庫内の冷媒が高温側から低温側に移動する際、段階別に温度と圧力を低くし、低温を得るようにした極低温冷凍システムに関する。
【０００２】
より詳しくは、液相の冷媒を膨張させて、２重管路入口側に高速で噴射し、蒸発冷媒移動管に発生する強力な吸引力により、低温側冷媒の圧力を低くする過程をいくつかの工程で繰り返すことにより、冷媒の蒸発圧力を圧縮器の吸引圧力より低く維持することができ、連続的な運転時も安定性が維持され、１台の圧縮器だけでも冷凍率（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）を大きく向上させた極低温冷凍システムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
組織や細胞及び遺伝子の長期保存と半導体生産工程、超伝導現象を導くための装置等に超低温の温度が必要である。特に、細胞等のような生物学的物質の場合、氷の再結晶温度である−１３０℃以下に維持すると、水分が結晶化せず、アモルファス（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）化するので、細胞膜が破壊される恐れがなく、保存期間を１０年以上に遥かに延長することができる。
【０００４】
このような低温を発生させる技術は、いろんなものがあるが、主に蒸気圧縮冷凍サイクル又は液体窒素を使用する方法が用いられている。−１３５℃乃至−１５０℃程度の超低温を発生させるためには、３元以上の多元冷凍サイクル（ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｇｅ ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ）を適用し、又は液化温度が−１９６℃である液化窒素を用いている。
【０００５】
しかし、液化窒素は使い捨てであり、更に補充しなければならないため、使用が不便であり、稼働費用が高く、また、多元冷凍サイクルの場合も、必要な超低温を効率的に得るのに困難があり、装置が複雑であり、故障しやすく、高価であるという問題点があった。
【０００６】
かかる問題点に鑑み、高温側冷凍回路を用いて、低温側冷凍回路でより低い温度を生成することを目的とする２元混合冷媒冷凍回路（２元冷凍回路と混合冷媒回路を組み合わせたものである）を適用した極低温冷凍庫が、日本機械技術誌（ＮＩＫＫＥＩ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ）４９６号（１９９６．１２．２３．発行）の第４４、４５頁に、圧縮器式冷凍庫の庫内温度と題して開示されている。
【０００７】
この２元混合冷媒冷凍回路は、最終蒸発器で達成可能な温度は−１５５℃、冷凍庫内の温度は−１５２℃の低温が発生するものであり、図２に示すように、高温側と低温側にそれぞれ独立した２つの冷凍回路を有し、両者をキャスケードコンデンサ（ｃａｓｃａｄｅ ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）で結合して構成し、このコンデンサは、高温側冷凍回路では蒸発器として、低温側冷凍回路では凝縮器として作動している。これは、高温側冷凍回路を用いて、低温側冷凍回路でより低い温度を得ようとすることにその目的がある。
【０００８】
特に、−１００℃以下の温度を得るために、低温側に混合冷媒冷凍回路を採用している。主要冷媒は、高温側が蒸発温度−４０℃のＲ４１２Ａ、低温側は蒸発温度−８６℃のＲ５０８（Ｒ２３とＲ１１６の混合冷媒）、蒸発温度−４１℃のＲ２２、蒸発温度−１２８℃のＲ１４等、７種の冷媒からなる混合系冷媒である。この混合系冷媒が順に各工程を経ながら低温を作り出した。
【０００９】
しかし、このような２元混合冷媒冷凍回路は、高温側と低温側の冷凍回路に圧縮器が独立してそれぞれ設けられるため、電力消費が多く、冷凍サイクルの構造が複雑となり、しかも、冷凍庫内の温度を−１５２℃に維持するためには、冷凍庫を連続して稼働しなければならないが、圧縮器から冷媒に沿って低圧側に移動した残留オイルが圧縮器へ完全に回収されず、摺動面に潤滑油が不足し、シリンダが焼き付く等、連続して安定した運転が難しくなり、また低温での吸入圧力が低下し、冷凍能力が減少する等の問題点を有している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、極低温の冷凍システムを連続して運転する場合も、安定した性能を維持し、機器の信頼度を確保するようにした冷凍システムを提供することを目的とする。
【００１１】
本発明は、圧縮器の円滑な作動を保障し、機器の寿命や信頼性を高めた冷凍システムを提供することを他の目的とする。
【００１２】
本発明は、極低温での安定した運転は勿論のこと、冷凍効率を２０％以上向上させて、製品の対外的な競争力を確保することができるようにした冷凍システムを提供することをさらに他の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような本発明の目的は、液体冷媒を蒸発冷媒移動管の上部で膨張させると共に下部への噴射を多段階で行うことにより、蒸発冷媒移動管内の冷媒蒸気を強く吸入して、冷媒の蒸発圧力を吸入圧力よりも低くし、蒸発した冷媒蒸気を強く吸入して高速で噴射するので、冷媒蒸気の流速と圧力を高くし、圧縮器の吸入圧力を一定の圧力以上に維持させて、圧縮器の体積効率（ｖｏｌｕｍｅｍｅｔｒｉｃ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を良好にすることは勿論のこと、冷凍回路内の残留オイルを圧縮器に完全に還流させる多段膨張方式の極低温冷凍システムによって達成されるものであって、本発明によると、最終蒸発温度−１６０℃、冷凍庫内の温度−１５６℃を達成することができる。
【００１４】
このような本発明の目的は、混合冷媒を圧縮する圧縮器と、圧縮器で圧縮された冷媒に含まれたオイルを分離して圧縮器に回収し、冷媒を排出するオイル分離器と、オイル分離器から排出された高温、高圧の冷媒蒸気を冷却して液化させる凝縮器と、凝縮した冷媒液の温度を低くするために圧縮器に流入される蒸発冷媒移動管路上に設けられ、凝縮した高温の凝縮冷媒液が蒸発した低温の冷媒蒸気に熱を放出して、凝縮液自体は過冷され、圧縮器に流入される冷媒を加熱蒸発させる熱交換器と、該熱交換器を通った凝縮混合冷媒が、液化した冷媒と蒸気状態の冷媒とに分離される気液分離器と、複数の膨張吸入器と、最終段階の蒸発器とからなる多段階混合冷媒システムにより達成される。
【００１５】
上記膨張吸入器は、気液分離器で分離された液体成分の冷媒が、管路上の膨張器を経て管路端部のノズルを介して２重管路の外側管に噴射され、上流側から下流側に流れながら蒸発し、高温側への蒸発冷媒移動管と連通し、このとき、ノズルの付近で絞り現象（ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ）が生じ、蒸発冷媒移動管内の冷媒蒸気が、強く吸入されて膨張器を介して噴射される冷媒と共に２重管路の外側蒸発管の上部から下部に流れるので、冷媒に含まれている残留オイルも、このとき、圧縮器方向に移動し、これと同時に、直径が相違した同心の２重管路中の蒸発管内側の凝縮管へは、気液分離器の冷媒蒸気が、下部から上部に流れながら凝縮して低温側の気液分離器に流入され、このように気液分離器の液体冷媒が、膨張器を経てノズルから噴射されると同時に、吸入された冷媒と共に２重管路と連通した高温側の蒸発冷媒移動管路に沿って高温側に流れ、気液分離器の気体冷媒は、２重管路の内側凝縮管を介して下部から上部に流れながら凝縮し、低温側の気液分離器に接続される１つのサイクルを構成している。この膨張吸入器は、多段階で連結構成され、膨張と凝縮を繰り返して順次に低温を作るようになる。
【００１６】
上記最終段階の蒸発器は、最終膨張吸入器を通った凝縮冷媒が最終蒸発器の下部の熱交換器で再度凝縮し、膨張器を経て蒸発器内に噴射され、上部から下部に移動しながら蒸発する。蒸発を完了した冷媒は、最終段階の膨張吸入器の蒸発冷媒移動管と連通して一体となる回路を形成するようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態によると、上前の膨張吸入器は、高温側の熱交換器と最終極低温の蒸発器との間に直列４段で連結され、このとき、冷媒蒸発温度は極低温の−１６０℃（冷凍庫内部温度は−１５６℃となる）が得られた。
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳しく説明するが、これは、本願発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が容易に実施をすることができる程度に詳しく説明するためのものであり、これによって本発明の技術的な範疇及び思想が限定されるものではない。
【００１９】
図１に示すように、本発明の実施の形態の極低温冷凍システムは、混合冷媒を圧縮する圧縮器１と、圧縮器１で高温、高圧で圧縮された冷媒蒸気を液化（混合冷媒のうち沸騰点が高い冷媒が液化する）させる凝縮器２と、圧縮器１と凝縮器管路との間に設けられ、圧縮された冷媒に含まれているオイルを分離して、圧縮器１に還流させる油分離器１０とを備えている。
【００２０】
また、蒸発冷媒移動管６と圧縮器１の吸入部との間に設けられ、凝縮器で凝縮した冷媒は過冷却させて第１の気液分離器４ａに流し、圧縮器１に吸入される蒸気冷媒は乾飽和蒸気で加熱して圧縮器に移動させる熱交換器３と、凝縮器２と熱交換器３との間の管路に設けられ、冷媒に含まれた湿気と異物を除去するフィルタードライヤー１２とを備えている。
【００２１】
更に、熱交換器３を通った過冷却された凝縮混合冷媒が、液化した冷媒と蒸気状態の冷媒に分離される第１の分離器４ａと、第１の分離器４ａで分離された液体成分の冷媒を蒸発圧力まで圧力を減少させる第１の膨張器８ａとを備えている。
【００２２】
第１の膨張器８ａを経た冷媒は、蒸発冷媒移動管６ａと連通する部分であって狭まってから広がる蒸発管路の側端部内に設けられたノズル７ａを介して蒸発冷媒移動管と連通した２重管路側に、上流側から下流側に噴射される。このとき、絞り現象が生じて、蒸発冷媒移動管６ａには圧力が大きく降下し、蒸発冷媒移動管内の冷媒蒸気を強く吸入し、第１の膨張器８ａとノズル７ａを介して高速で噴射される冷媒は、吸入される蒸発冷媒と共に２重管路の外側管の蒸発管路に沿って上流側から下流側に速く流れるようになるので、冷媒の流速を確保し、これによって冷媒に含まれた残留オイルも圧縮器側に移動して、オイル回収を完璧に行うことにより、冷凍システムの高効率と安定性が保障される。これと同時に、同心の２重管路の内側凝縮管路へは高温側の第１の気液分離器４ａの冷媒蒸気が下部から上部に流れながら凝縮して、低温側の気液分離器４ｂに流入される。
【００２３】
気液分離器内の気体成分の冷媒と液体成分の冷媒とが相互逆方向に流れる膨張吸入器は、低温側に多段階で繰り返して形成することが好ましい。
【００２４】
即ち、この実施の形態では、蒸発した冷媒蒸気が高温側に流れ、凝縮した冷媒液が低温側に流れる構成である膨張吸入器がＡからＤまで直列で相互連結されてなり、低温側に行くほど膨張吸入器から出る凝縮冷媒の温度が更に低くなる。最終段階の膨張吸入器Ｄを通った凝縮冷媒は、熱交換器１５で再度凝縮し、最終膨張気８ｅを介して最終蒸発器１４の上部から噴射され、下部に移動しながら蒸発し、熱を吸収して極低温である−１６０℃（冷凍庫の内部温度；−１５６℃）の冷媒蒸発温度が得られた。蒸発を完了した冷媒は、蒸発器１４の下部の２重管路の外側管を介して最終段階の膨張吸入器Ｄの蒸発冷媒移動管６ｄと連通して一体となる回路を形成した極低温冷凍システムを構成する。
【００２５】
図面符号１１は、圧縮器１の初期稼働の際に発生する高く上昇した圧力を貯蔵する膨張タンク、１３は、圧縮器１の吸入部に過負荷が発生するとき、これを調節する吸入圧力調節弁、９ａ〜９ｄは、該当蒸発冷媒移動管路を通る冷媒の圧力を表示する圧力ゲージである。
【００２６】
また、上述のとおり、−１６０℃の極低温を実現するために、直列で膨張吸入器Ａ〜Ｄを相互連結して多段階でシステムを構成しても、得られる低温には限界があるため、本発明は、混合冷媒冷凍回路を採用した。膨張吸入器内の混合冷媒は、実際に冷凍機の作動中に冷凍回路内では極めて複雑に挙動するが、概略的に下記のような液化と蒸発過程を経て低温が作り出される。
【００２７】
高温部の冷凍回路は公知技術であるため、その説明を省略し、低温部の膨張吸入器内での段階別作動状態を説明すると、下記のとおりである。
【００２８】
膨張吸入器Ａでは、第１の気液分離器４ａからの液体冷媒のＲ−６００Ａが蒸発し、このとき、蒸発冷媒移動管６ａの圧力値は約−１８ｃｍＨｇであり、噴射ノズル７ａの通過温度は約−６２℃であった。
【００２９】
膨張吸入器Ｂでは、膨張吸入器Ａの気液分離器４ｂからの液体冷媒のＲ−２２、Ｒ−２９０が蒸発し、蒸発冷媒移動管６ｂ内の圧力値は−２８ｃｍＨｇであり、このとき、噴射ノズル７ｂの通過温度は約−１１９℃であった。
【００３０】
また、膨張吸入器Ｃでは、膨張吸入器Ｂの気液分離器４ｃからの液体冷媒のＲ−１１６、Ｒ−２３が蒸発し、蒸発冷媒移動管６ｃ内の圧力値は−３５ｃｍＨｇであり、このとき、噴射ノズル７ｃの通過温度は約−１３６℃であり、２重管路（５ｃ）上の熱交換された温度は−１２８℃前後となった。
【００３１】
膨張吸入器Ｄでは、膨張吸入器Ｃの気液分離器４ｄからの液体冷媒のＲ−１１５０、Ｒ−１４が蒸発し、蒸発冷媒移動管６ｄ内の圧力値は−４５ｃｍＨｇであり、このとき、噴射ノズル７ｄの通過温度は約−１５２℃であり、２重管路（５ｄ）上の熱交換温度は−１４７℃前後となった。
【００３２】
最終蒸発器１４で蒸発する冷媒は、膨張吸入器Ｄからの液体冷媒のＲ−５０（Ｈｅ、Ａｒ等の添加も可能）として、最終蒸発器の下部の２重管路となる熱交換器１５を通過しながら再度過冷却されて−１５３℃に到達し、これは、膨張器８ｅを経て蒸発器内に噴射された。このとき、蒸発器１４の入口の蒸発温度は−１６０℃であり、蒸発器の出口温度は−１５４℃であり、装置内部の温度は−１５６℃の極低温が生成された。
【００３３】
また、これは、段階別に噴射ノズル７ａ〜７ｄから噴射時、蒸発冷媒移動管路６ａ〜６ｄ上の蒸発冷媒を吸入し、吸入された冷媒と共に２重管路５ａ〜５ｄ側に吸入と同時に膨張させる過程にベルヌイの定理を採用することにより、吸入圧力が蒸発冷媒移動管路上の上記圧力ゲージ９ａ〜９ｄの圧力値のように強くなり、吸入圧力の低下による冷媒蒸発温度の上昇と冷凍能力の減退等の問題が解消された。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、冷媒の蒸発圧力を冷凍機の吸入圧力よりも低く維持することができ、最大温度条件下で冷凍システムを連続して運転する場合も、安定した性能を維持することができる。
【００３５】
また、高圧側に吸入される冷媒の圧力と流速を絞り現象を応用して各段階別に高めることにより、低圧側の残留オイルを圧縮器に完全に回収し、圧縮器の円滑な作動を保障して、機器の使用寿命又は信頼性を高めることができる。
【００３６】
更に、蒸発冷媒移動管内の側端部から噴射ノズルを介して噴射させることにより、絞り現象が生じ、これによって発生する吸引力により、気体冷媒を強く吸い込んで、安定した冷媒の流れが得られ、これによって機器の使用寿命を延長し、当該分野において冷凍効率を２０％以上向上させることができる。
【００３７】
本発明によると、多段膨張方式の圧縮器式冷凍庫を、−１５６℃で連続して安定した温度に維持することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による極低温冷凍システムの概略回路図である。
【図２】
従来技術による極低温冷凍システムの概略回路図である。
【符号の説明】
１　圧縮器
２　凝縮器
３　熱交換器
４ａ〜４ｄ　第１〜第４の気液分離器
５ａ〜５ｄ　第１〜第４の２重管路
６ａ〜６ｄ　第１〜第４の蒸発冷媒移動管
７ａ〜７ｄ　第１〜第４の噴射ノズル
８ａ〜８ｅ　第１〜第５の膨張器
９ａ〜９ｄ　第１〜第４の圧力ゲージ
１４　最終蒸発器
１５　熱交換器
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　膨張吸入器

Claims (3)

1. 極低温多段冷凍装置であって、混合冷媒を吸入して圧縮する圧縮器１と、圧縮器で圧縮された冷媒に含まれたオイルを分離するオイル分離器１０と、オイル分離器から排出された冷媒蒸気を液化させる凝縮器２と、低温側冷凍サイクルを循環した後、流入される蒸発した冷媒を加熱蒸発させ、凝縮器２で凝縮した冷媒を過冷させる熱交換器３と、過冷却された混合冷媒を液化した冷媒と蒸気状態の冷媒に分離させる第１の気液分離器４ａと、圧縮器１側に還流するように冷媒を蒸発させる最終蒸発器とを含む多段混合冷媒の冷凍システムにおいて、
   第１の気液分離器４ａの液体成分の混合冷媒は、膨張器８ａを経て蒸発冷媒移動管６ａ内の側端部に設けられたノズル７ａを介して２重管路の外側管に噴射され、上部から下部に流れながら蒸発し、高温側への蒸発冷媒移動管６に流れ、第１の気液分離器４ａの混合冷媒蒸気は、２重管路５ａの内側凝縮管路を介して下部から上部に流れながら凝縮し、第２の気液分離器４ｂに流入されるように構成された複数の膨張吸入器を直列で連結し、最終膨張吸入器Ｄを通った凝縮冷媒は、蒸発器の下部の熱交換器１５を通って第５の膨張器８ｅを経て噴射され、最終蒸発器１４で蒸発した後、蒸発が完了された冷媒は、蒸発冷媒移動管と連通した蒸発管路を介して圧縮器１に還流される冷媒回路を備えたことを特徴とする極低温冷凍システム。
2. 上記膨張吸入器が、高温側の熱交換器と極低温側の蒸発器との間に直列で四つ連結されていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。
3. 上記噴射ノズルが、蒸発冷媒移動管と連通した狭くなった蒸発管路の側端部内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の極低温冷凍システム。

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