JP2017133728A - 温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍回路の構成要素を操作することなく、簡易に当該冷凍回路の冷凍能力を広範囲に調節することができる温度制御装置を提供する。【解決手段】温度制御装置１は、第１圧縮機１１、第１凝縮器１２、第１膨張弁１３及び第１蒸発器１４が、この順に第１冷媒を循環させるように接続された第１冷凍回路１０を有する冷凍装置２と、ブラインを循環させるためのブライン循環路３１と、ブライン循環路３１の一部を構成し且つ受け入れたブラインを加熱可能な加熱部３２と、を有するブライン循環装置３と、を備える。第１冷凍回路１０における第１膨張弁１３の下流側で且つ第１蒸発器１４の上流側に位置する部分と、ブライン循環路３１における加熱部３２の下流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な冷凍能力調節機構ＦＣを構成している。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍装置を備える温度制御装置に関する。

冷凍装置には、一つの冷凍回路を有する単元式冷凍装置と、複数の冷凍回路を有する多元冷凍装置と、がある（例えば、特許文献１参照）。一般に、多元冷凍装置は、単元式冷凍装置よりも温度制御対象空間を低温に制御することができる。

多元冷凍装置には、二元冷凍装置、三元冷凍装置等が含まれる。このうち二元冷凍装置は、低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側膨張弁及び低温側蒸発器が、この順に低温側冷媒を循環させるように接続された低温側冷凍回路と、高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側蒸発器が、この順に高温側冷媒を循環させるように接続された高温側冷凍回路と、を備え、低温側凝縮器と高温側蒸発器とが互いに熱交換可能なカスケードコンデンサを構成している。

特開２００２−３４６４０３号公報

ところで、冷凍装置には、冷凍回路における圧縮機の出力や膨張弁の開度を変更することで冷凍能力を調節可能な機種が存在する一方、冷凍能力の調節を想定していない機種も存在する。特に多元冷凍装置では、冷凍能力の調節を想定していない機種が多く流通している。このような冷凍能力の調節を想定していない冷凍装置は、冷凍能力を調節可能な冷凍装置に比較して、種々の構成部材を簡易にでき且つ部品点数を削減できるため、製造コストや導入コストを抑制できる。

しかしながら、このような冷凍装置の導入後において、使用環境の変化や設計変更等に応じて、冷凍能力を調節可能な構成を追加することが望まれる場合がある。この際、例えば導入後の冷凍装置において種々の構成要素を変更及び追加することにより冷凍能力を調節可能な構成に変更することは可能であるが、複雑な作業が多く生じるため、非常に手間がかかる。このような場合に、導入済みの冷凍装置の構成要素を変更及び追加することなく、冷凍能力を調節することが可能であれば、有用である。

また、冷凍能力を調節可能な冷凍装置において、圧縮機や膨張弁に対する制御を行うことなく、冷凍能力を調節することが望まれる場合がある。例えば、圧縮機や膨張弁に対する制御は、その操作量が大きくなる場合に、所望の温度への安定した制御を実施できなくなる虞があり、このような場合に、圧縮機や膨張弁に対する制御を行うことなく冷凍能力を調節することが望まれる。

本発明は、このような実情を考慮してなされたものであって、冷凍回路の構成要素を操作することなく、簡易に当該冷凍回路の冷凍能力を広範囲に調節することができる温度制御装置を提供することを目的とする。

本発明の温度制御装置は、第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁及び第１蒸発器が、この順に第１冷媒を循環させるように接続された第１冷凍回路を有する冷凍装置と、ブラインを循環させるためのブライン循環路と、前記ブライン循環路の一部を構成し且つ受け入れた前記ブラインを加熱可能な加熱部と、を有するブライン循環装置と、を備え、前記第１冷凍回路における前記第１膨張弁の下流側で且つ前記第１蒸発器の上流側に位置する部分と、前記ブライン循環路における前記加熱部の下流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な冷凍能力調節機構を構成している。

本発明の温度制御装置によれば、冷凍装置の第１冷凍回路における第１蒸発器の上流側の部分において、第１冷媒をブラインによって加熱することができ、この際、ブラインの加熱能力に応じて第１蒸発器における冷凍能力を調節することができる。したがって、冷凍回路の構成要素を操作することなく、簡易に当該冷凍回路の冷凍能力を広範囲に調節することができる。

本発明の温度制御装置においては、前記第１冷凍回路における前記第１膨張弁の下流側で且つ前記第１蒸発器の上流側に位置する部分と、前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記第１圧縮機の上流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な内部熱交換器を構成し、前記内部熱交換器は、前記第１冷媒が流れる方向で、前記冷凍能力調節機構の上流側に配置されていてもよい。

この場合、第１蒸発器を通過して昇温した第１冷媒が、第１圧縮機に吸入される前に、第１膨張弁が吐出する低温の第１冷媒によって冷却されることで、過剰な過熱度を有した第１冷媒が第１圧縮機に吸入されることを抑制できる。これにより、第１冷媒の熱分解及び第１圧縮機の焼損を抑制でき、温度制御の安定性を向上できる。

また本発明の温度制御装置において、前記冷凍装置は、二元冷凍装置であって、第２圧縮機、第２凝縮器、第２膨張弁及び第２蒸発器が、この順に第２冷媒を循環させるように接続された第２冷凍回路をさらに有し、前記第１凝縮器と前記第２蒸発器とが、互いに熱交換可能なカスケードコンデンサを構成していてもよい。

この場合、冷凍装置が単元式である構成に比較して、冷凍装置における冷凍能力を高く確保でき、且つ調節可能な冷凍能力の範囲を広くすることができる。これにより、温度制御装置が制御可能な温度範囲を拡大することができ、その汎用性を拡大させることができる。

本発明によれば、冷凍回路の構成要素を操作することなく、簡易に当該冷凍回路の冷凍能力を広範囲に調節することができる。

本発明の一実施の形態に係る温度制御装置の概略構成を示す図である。 図１に示す温度制御装置のモリエル線図の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る温度制御装置１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る温度制御装置１は、冷凍装置２と、ブライン循環装置３と、温度制御対象空間Ｓを規定するチャンバ４と、を備えている。この温度制御装置１は、冷凍装置２の冷凍能力をブライン循環装置３によって調節することにより、温度制御対象空間Ｓの温度を所望の温度に制御することが可能となっている。

本実施の形態における冷凍装置２は、二元冷凍装置であり、第１圧縮機１１、第１凝縮器１２、第１膨張弁１３及び第１蒸発器１４が、この順に第１冷媒を循環させるように接続された第１冷凍回路１０と、第２圧縮機２１、第２凝縮器２２、第２膨張弁２３及び第２蒸発器２４が、この順に第２冷媒を循環させるように接続された第２冷凍回路２０と、を備え、第１凝縮器１２と第２蒸発器２４とが、互いに熱交換可能なカスケードコンデンサＣＣを構成している。

第１冷凍回路１０では、第１圧縮機１１によって圧縮された第１冷媒が、カスケードコンデンサＣＣを構成する第１凝縮器１２に流入し、第２冷凍回路２０の第２蒸発器２４によって凝縮される。その後、第１冷媒は、第１膨張弁１３によって減圧されて低温となり、第１蒸発器１４に流入する。図示の例では、第１蒸発器１４がチャンバ４内に配置されており、第１蒸発器１４に流入した第１冷媒は、温度制御対象空間Ｓの熱を吸熱して、第１圧縮機１１に流入する。

本実施の形態においては、第１冷凍回路１０における第１膨張弁１３の下流側で且つ第１蒸発器１４の上流側に位置する部分と、第１冷凍回路１０における第１蒸発器１４の下流側で且つ第１圧縮機１１の上流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な内部熱交換器ＩＣを構成している。これにより、第１蒸発器１４を通過して昇温した第１冷媒が、第１圧縮機１１に吸入される前に、第１膨張弁１３が吐出する低温の第１冷媒によって冷却されるようになっている。

第２冷凍回路２０では、カスケードコンデンサＣＣで第１冷媒の熱を吸熱した第２冷媒が第２圧縮機２１によって圧縮される。圧縮された第２冷媒は、第２凝縮器２２に流入し、例えば第２凝縮器２２を流れる冷却水によって凝縮される。その後、第２冷媒は、第２膨張弁２３によって減圧されて低温となり、カスケードコンデンサＣＣを構成する第２蒸発器２４に流入して、第１凝縮器１２に流入した第１冷媒を冷却する。

ブライン循環装置３は、ブラインを循環させるためのブライン循環路３１と、ブライン循環路３１の一部を構成し且つ受け入れたブラインを加熱可能な加熱部３２と、ブライン循環路３１の一部を構成し且つブラインをブライン循環路３１内で循環させるための駆動力を付与するポンプ３３と、加熱部３１に接続されたブラインタンク３４と、を有している。

図示の例では、ポンプ３３の駆動によりブラインがブライン循環路３１内を図中の時計回りの方向に循環した際に、加熱部３２が、ブラインの循環に伴って受け入れたブラインを所望の加熱量で加熱することが可能となっている。加熱部３２は、ブラインを流入させるケース部と、ケース部内に配置されたヒータとを有し、ヒータの加熱量を調節することにより、ブラインの加熱能力を調節可能となっている。本実施の形態において、加熱部３２は、第１膨張弁１３によって減圧され且つ内部熱交換器ＩＣで熱交換された第１冷媒の温度よりも高温にブラインを加熱することが可能となっている。ブラインタンク３４内には、ブラインが貯留されており、貯留されたブラインの液面とブラインタンク３４の上壁との間には気層部分が形成されている。加熱部３２のケース部は、ブラインタンク３４における気層部分とブラインの液層部分とに流体的に接続している。

ここで、本実施の形態では、第１冷凍回路１０における第１膨張弁１３の下流側で且つ第１蒸発器１４の上流側に位置する部分と、ブライン循環路３１における加熱部３２の下流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な冷凍能力調節機構ＦＣを構成している。図示の例において、冷凍能力調節機構ＦＣは、第１冷媒が流れる方向で、内部熱交換器ＩＣの下流側に配置されている。つまり、内部熱交換器ＩＣは、第１冷媒が流れる方向で、冷凍能力調節機構ＦＣの上流側に配置されている。より詳しくは、第１冷凍回路１０における第１膨張弁１３から吐出された第１冷媒が第１蒸発器１４に至る部分において、内部熱交換器ＩＣは、冷凍能力調節機構ＦＣの上流側に配置されている。これにより、冷凍装置２の第１冷凍回路１０における第１蒸発器１４の上流側の部分において、第１冷媒をブラインにより加熱することが可能となっている。

次に本実施の形態に係る温度制御装置１の動作について説明する。

温度制御装置１を動作させる際には、まず、第１圧縮機１１、第２圧縮機２１及びポンプ３３が駆動される。これにより、第１冷凍回路１０では、第１圧縮機１１によって圧縮された第１冷媒が、カスケードコンデンサＣＣを構成する第１凝縮器１２に流入し、第２冷凍回路２０の第２蒸発器２４によって凝縮される。その後、第１冷媒は、第１膨張弁１３によって減圧されて低温となり、第１蒸発器１４に流入する。そして第１蒸発器１４に流入した第１冷媒は、温度制御対象空間Ｓの熱を吸熱して、第１圧縮機１１に流入する。

本実施の形態では、内部熱交換器ＩＣが設けられることで、第１蒸発器１４を通過して昇温した第１冷媒が、第１圧縮機１１に吸入される前に、第１膨張弁１３が吐出する低温の第１冷媒によって冷却される。これにより、過剰な過熱度を有した第１冷媒が第１圧縮機１１に吸入されることを抑制できる。

一方、第２冷凍回路２０では、カスケードコンデンサＣＣで第１冷媒の熱を吸熱した第２冷媒が第２圧縮機２１によって圧縮される。圧縮された第２冷媒は、第２凝縮器２２に流入し、第２凝縮器２２を流れる冷却水によって凝縮される。その後、第２冷媒は、第２膨張弁２３によって減圧されて低温となり、カスケードコンデンサＣＣを構成する第２蒸発器２４に流入して、第１凝縮器１２に流入した第１冷媒を再び冷却する。なお、本実施の形態では、第１圧縮機１１及び第２圧縮機２１は、制御の安定性のために一定の出力で運転される。

またブライン循環装置３では、ブライン循環路３１内をブラインが循環し、加熱部３２によってブラインを適宜加熱することが可能となっている。

そして本実施の形態では、冷凍能力調節機構ＦＣが設けられることで、冷凍装置２の第１冷凍回路１０における第１蒸発器１４の上流側の部分において、第１冷媒を、加熱部３２によって加熱されたブラインにより加熱することができる。そして、この際に、ブラインの加熱能力に応じて第１蒸発器１４における冷凍能力を調節することができる。

図２は、冷凍能力調節機構ＦＣにおいて第１冷媒をブラインによって加熱する場合の温度制御装置１（第１冷凍回路１０）のモリエル線図を示している。図２を用いて、冷凍能力の調節について詳述する。図２に示すように、温度制御装置１における冷凍サイクルでは、第１圧縮機１１に吸入された第１冷媒は、点Ａから点Ｂへの移行に示されるように、圧縮される。第１圧縮機１１によって吐出された第１冷媒は、第１凝縮器１２によって凝縮されることで冷却されて、点Ｂから点Ｃへの移行に示されるように、その比エンタルピーが低減する。

次いで、第１凝縮器１２によって凝縮された第１冷媒は、点Ｃから点Ｄへの移行に示されるように、第１膨張弁１３によって減圧され、低温となる。その後、第１膨張弁１３から吐出された第１冷媒は、内部熱交換器ＩＣにおいて、第１圧縮機１１に流入する直前の第１冷媒と熱交換し、点Ｄから点Ｅへの移行に示されるように、吸熱して、その比エンタルピーが増加する。その後、第１冷媒は、冷凍能力調節機構ＦＣにおいて、加熱されたブラインと熱交換し、点Ｅから点Ｆへの移行に示されるように、吸熱して、その比エンタルピーが増加する。

次いで、第１冷媒は、第１蒸発器１４に流入して、温度制御対象空間Ｓの熱を吸熱し、点Ｆから点Ｇへの移行に示されるように、その比エンタルピーが増加する。そして、第１蒸発器１４を通過した第１冷媒は、内部熱交換器ＩＣにおいて、第１膨張弁１３から吐出された低温の第１冷媒と熱交換し、点Ｇから点Ｈへの移行に示されるように、冷却されて、その比エンタルピーが低減する。これにより、過剰な過熱度を有した第１冷媒が第１圧縮機１１に吸入されることを抑制できる。その後、第１冷媒は、第１圧縮機１１に流入して圧縮される。

上述のモリエル線図中において、点Ｆは、加熱されたブラインの加熱能力に応じて、その位置を矢印に示すように変動させることができる。ここで、第１冷凍回路１０の冷凍能力は、符号Ｗで示される、第１蒸発器１４に流入直前の第１冷媒の比エンタルピーと、第１蒸発器１４から流出直後の第１冷媒の比エンタルピーとの差に比例する。そのため、本実施の形態では、加熱されたブラインの加熱能力を調節することにより、第１冷凍回路１０の冷凍能力を調節することができることになる。

したがって、本実施の形態に係る温度制御装置１によれば、第１冷凍回路１０の構成要素を操作することなく、簡易に当該冷凍回路１０の冷凍能力を広範囲に調節することができる。例えば、このような本実施の形態に係る温度制御装置１によれば、第１冷凍回路１０の構成要素を操作することなく第１冷凍回路１０の冷凍能力を調節することができることで、冷凍装置２が導入済みの冷凍能力の調節を想定していない冷凍装置であっても、これを有効に活用して冷凍能力の調節機能を得ることができるため、温度制御装置の製造コストを有益に抑制することができる。

また温度制御装置１では、第１蒸発器１４を通過して昇温した第１冷媒が、第１圧縮機１１に吸入される前に、第１膨張弁１３が吐出する低温の第１冷媒によって冷却されることで、過剰な過熱度を有した第１冷媒が第１圧縮機に吸入されることを抑制できる。これにより、第１冷媒の熱分解及び第１圧縮機１１の焼損を抑制できる。

また、冷凍装置２が二元冷凍装置となっているため、冷凍装置２が単元式である構成に比較して、冷凍装置２における冷凍能力を高く確保でき、且つ調節可能な冷凍能力の範囲を広くして制御可能な温度範囲を拡大することができる。これにより、温度制御装置の汎用性を拡大させることができる。例えば、本発明者は、冷凍装置２を二元冷凍装置として採用し、ブラインによる冷凍能力の調節を行うことにより、温度制御対象空間Ｓを−６０℃〜−２０℃の範囲内の所望の温度に正確に制御可能であったことを確認している。なお、正確に温度を制御可能であったのは、圧縮機１１等を操作しなかったことによる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施の形態においては、冷凍装置２が二元冷凍装置であるが、単元式の冷凍装置や三元冷凍装置等であってもよい。また、上述の実施の形態においては、温度制御装置１が、第１冷凍回路１０の第１蒸発器１４によって空間を冷却するが、温度制御装置１は、第１蒸発器１４に直接又は間接的に接触する物体を冷却する装置として構成されてもよい。

１ 温度制御装置
２ 冷凍装置
３ ブライン循環装置
１０ 第１冷凍回路
１１ 第１圧縮機
１２ 第１凝縮器
１３ 第１膨張弁
１４ 第１蒸発器
２０ 第２冷凍回路
２１ 第２圧縮機
２２ 第２凝縮器
２３ 第２膨張弁
２４ 第２蒸発器
３１ ブライン循環路
３２ 加熱部
３３ ポンプ
ＣＣ カスケードコンデンサ
ＦＣ 冷凍能力調節機構
ＩＣ 内部熱交換器
Ｓ 温度制御対象空間

Claims (3)

1. 第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁及び第１蒸発器が、この順に第１冷媒を循環させるように接続された第１冷凍回路を有する冷凍装置と、
   ブラインを循環させるためのブライン循環路と、前記ブライン循環路の一部を構成し且つ受け入れた前記ブラインを加熱可能な加熱部と、を有するブライン循環装置と、
   を備え、
   前記第１冷凍回路における前記第１膨張弁の下流側で且つ前記第１蒸発器の上流側に位置する部分と、前記ブライン循環路における前記加熱部の下流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な冷凍能力調節機構を構成している、
   ことを特徴とする温度制御装置。
2. 前記第１冷凍回路における前記第１膨張弁の下流側で且つ前記第１蒸発器の上流側に位置する部分と、前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記第１圧縮機の上流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な内部熱交換器を構成し、
   前記内部熱交換器は、前記第１冷媒が流れる方向で、前記冷凍能力調節機構の上流側に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記冷凍装置は、二元冷凍装置であって、第２圧縮機、第２凝縮器、第２膨張弁及び第２蒸発器が、この順に第２冷媒を循環させるように接続された第２冷凍回路をさらに有し、
   前記第１凝縮器と前記第２蒸発器とが、互いに熱交換可能なカスケードコンデンサを構成している、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御装置。

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