JP2019211116A

JP2019211116A - 冷凍装置及び液体温調装置

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Publication number: JP2019211116A
Application number: JP2018105223A
Authority: JP
Inventors: 真通梅木; Masamichi Umeki; 英明古本; Hideaki Furumoto; 繁雄青木; Shigeo Aoki; 亮守屋; Ryo Moriya; 紘文井上; Hirofumi Inoue
Original assignee: Shinwa Controls Co Ltd
Current assignee: Shinwa Controls Co Ltd
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: WO2019230631A1; TW202004104A; EP3805664A4; CN112204318A; TWI801589B; KR20210014091A; US11365907B2; CN112204318B; US20200355406A1; EP3805664A1; JP6957026B2

Abstract

【課題】沸点が互いに異なる二種の冷媒を含む混合冷媒を気液分離することで極めて低温の温度域での冷却を実現する冷凍装置において、沸点が低い方の冷媒が出力し得る冷凍能力を最大限に引き出すことで、冷却可能な温度を引き下げる。【解決手段】圧縮機２０で圧縮された気相の混合冷媒が第１凝縮器２１によって一部を凝縮された後、混合冷媒は、第１気液分離器２２によって、気相の第１流体部分（Ｉ）と、凝縮により液相となった第２流体部分（ＩＩ）とに分離される。気相の第１流体部分（Ｉ）は、第２凝縮器２３によって更に一部を凝縮された後、第２気液分離器２４によって、気相の第３流体部分（ＩＩＩ）と、凝縮により液相となった第４流体部分（ＩＶ）とに更に気液分離される。その後、気相の第３流体部分（ＩＩＩ）を、第１気液分離器２２によって分離された上記第２流体部分（ＩＩ）によって凝縮させ、その後、膨張させる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を備える冷凍装置及びそれを備える液体温調装置に関する。

温度制御対象を−５０℃以下等の極めて低温の温度域まで冷却する際には、多くの場合、二元冷凍装置が利用される。二元冷凍装置は、高温側冷凍回路と低温側冷凍回路とを備え、高温側冷凍回路の蒸発器と低温側冷凍回路の凝縮器とで互いの冷媒を熱交換可能なカスケードコンデンサを構成する。カスケードコンデンサでは、高温側冷凍回路で凝縮後に膨張された高温側冷媒により低温側冷凍回路で圧縮された低温側冷媒を凝縮させる。その後、低温側冷媒を膨張させることで、温度制御対象を極めて低温の温度域まで冷却することができる。

上述のような二元冷凍装置では、高温側冷凍回路及び低温側冷凍回路のそれぞれに圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が設けられるため、装置全体が大型化し重量が大きくなるという問題がある。一方で、沸点が互いに異なる二種の冷媒を含む混合冷媒を一つの圧縮機で循環させ、異なる冷媒間の沸点（蒸発温度）及び凝縮点（凝縮温度）の差を利用することで、一つの圧縮機を用いて極めて低温の温度域での冷却を実現する冷凍装置も従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記一つの圧縮機を用いる冷凍装置は、圧縮機で圧縮した気相の混合冷媒の一部を凝縮器で凝縮した後、混合冷媒を気相のままの第１流体部分と凝縮器によって凝縮された液相の第２流体部分とに気液分離し、その後、液相の第２流体部分を膨張させて低温の気液混相の状態にする。その後、気液混相となった第２流体部分により気相の第１流体部分を凝縮させ、このように凝縮された第１流体部分を膨張させて低温にすることで、極めて低温の温度域での冷却を実現できる。このような冷凍装置は、使用する圧縮機が１つであるため、小型化の点で二元冷凍装置よりも有利である。

特開平８−６８５６７号公報

上述のように一つの圧縮機を用いる冷凍装置では、混合冷媒を気相の第１流体部分と液相の第２流体部分とに気液分離する際、混合冷媒に含まれる二種の冷媒のうちの低沸点の冷媒の全てが気相の第１流体部分となり、二種の冷媒のうちの高沸点の冷媒の全てが液相の第２流体部分となることが低温冷却の観点では理想的である。すなわち、混合冷媒が気相の低沸点の冷媒と液相の高沸点の冷媒とに完全に分離することが理想的である。なぜならば、気液分離後の気相の第１流体部分に低沸点の冷媒と高沸点の冷媒とが含まれる場合には、凝縮後に或る圧力まで膨張させた際の第１流体部分の温度が、低沸点の冷媒のみの液相を同じ圧力まで膨張させた場合の温度よりも下がらなくなるからである。

しかしながら、この種の従来の冷凍装置では、気液分離後の気相の第１流体部分に、実際上、低沸点の冷媒と高沸点の冷媒とが含まれてしまう。そのため、低沸点の冷媒が出力し得る冷凍能力を最大限に引き出せていない。

本発明は上記実情を考慮してなされたものであり、沸点が互いに異なる二種の冷媒を含む混合冷媒を気液分離することで極めて低温の温度域での冷却を実現でき、この際、混合冷媒に含まれる二種の冷媒のうちの沸点が低い方の冷媒が出力し得る冷凍能力を最大限に引き出すことで、冷却可能な温度を従来よりも引き下げることができる冷凍装置及び液体温調装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる冷凍装置は、第１冷媒と前記第１冷媒よりも沸点が高い第２冷媒とを含む気相の混合冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記混合冷媒を冷却し、前記混合冷媒の一部を液相の状態に凝縮させる第１凝縮器と、前記第１凝縮器を通過した気液混相の前記混合冷媒を気相の第１流体部分と前記第１凝縮器によって凝縮された液相の第２流体部分とに分離する第１気液分離器と、前記第１気液分離器で分離された前記第１流体部分の一部を凝縮させるための第２凝縮器と、前記第２凝縮器を通過した気液混相の前記第１流体部分を気相の第３流体部分と前記第２凝縮器によって凝縮された液相の第４流体部分とに分離する第２気液分離器と、前記第２気液分離器で分離された前記第３流体部分を凝縮させるための第３凝縮器と、前記第３凝縮器で凝縮された前記第３流体部分を膨張させる第１膨張弁と、前記第１膨張弁で膨張された前記第３流体部分を蒸発させて前記圧縮機に向けて流出させるための蒸発器と、を有する冷媒回路と、前記第１気液分離器で分離された前記第２流体部分を前記第３凝縮器に供給するべく前記第３凝縮器に接続されるとともに、前記第３凝縮器から流出した前記第２流体部分を前記冷媒回路に戻すべく前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分に接続される第１分岐流路と、を備え、前記第１分岐流路は、前記第１気液分離器で分離された前記第２流体部分を膨張させて前記第３凝縮器に向けて流出させる第２膨張弁を有し、前記第３凝縮器は、前記第２膨張弁により膨張された前記第２流体部分によって、前記第２気液分離器で分離された気相の前記第３流体部分を凝縮させるようになっている。

本発明にかかる冷凍装置では、圧縮機で圧縮された気相の混合冷媒の一部が第１凝縮器によって凝縮された後、気液混相の混合冷媒が、気相の混合冷媒（第１流体部分）と、凝縮により液相となった混合冷媒（第２流体部分）とに分離される（１回目の気液分離）。その後、気液分離された気相の混合冷媒（第１流体部分）は、第２凝縮器によって更に一部を凝縮された後、更に気液分離される（２回目の気液分離）。
ここで、第２凝縮器による凝縮の際には、気相の混合冷媒（第１流体部分）において、沸点の高い（言い換えると、凝縮温度の高い）第２冷媒が沸点の低い（言い換えると、凝縮温度の低い）第１冷媒に先行して凝縮する。これにより、その後、第２凝縮器を通過した混合冷媒を、気相の混合冷媒（第３流体部分）と、凝縮によって液相となった混合冷媒（第４流体部分）とに気液分離する際に、第１冷媒の濃度を増加させた状態の気相の混合冷媒（第３流体部分）を抽出でき、第１冷媒の濃度が増加した混合冷媒（第３流体部分）を第３凝縮器に流入させることが可能となる。これにより、１回目の気液分離時よりも第１冷媒の濃度が増加された気相の混合冷媒を第３凝縮器において凝縮させ、その後、膨張させることが可能となるため、蒸発器に供給される混合冷媒の温度を、１回目の気液分離時の気相の混合冷媒を凝縮後に膨張させる場合よりも低下させることができる。
以上のようにして、混合冷媒に含まれる二種の冷媒のうちの沸点が低い方の冷媒（第１冷媒）が出力し得る冷凍能力を最大限に引き出すことで、冷却可能な温度を従来よりも引き下げることができる。

本発明にかかる冷凍装置は、前記第１気液分離器で分離された前記第２流体部分を前記第２凝縮器に供給するべく前記第２凝縮器に接続されるとともに、前記第２凝縮器から流出した前記第２流体部分を前記冷媒回路に戻すために前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分に接続される第２分岐流路をさらに備え、前記第２凝縮器は、前記第２分岐流路から供給された前記第２流体部分によって前記第１流体部分の一部を凝縮させるようになっていてもよい。

この場合、第１気液分離器で分離された気相の第１流体部分の一部を、混合冷媒の一部を利用して凝縮できるため、他の冷却手段で第１流体部分の一部を凝縮させる場合よりも装置構成を簡素化できる。

前記第２分岐流路は、前記第１気液分離器で分離された前記第２流体部分を膨張させて前記第２凝縮器に向けて流出させる第３膨張弁を有し、前記第２凝縮器は、前記第３膨張弁により膨張された前記第２流体部分によって前記第１流体部分の一部を凝縮させるようになっていてもよい。

この場合、第３膨張弁によって第２流体部分を膨張させて第２流体部分の温度を下げることで、第１流体部分の一部を確実に凝縮させることが可能となる。ここで、第３膨張弁は開度調節可能な弁であることが好ましく、特に開度調節可能な電子膨張弁であることが好ましい。この場合には、第１流体部分に含まれる沸点が高い方の冷媒である第２冷媒を確実に凝縮させるとともに、第１冷媒の凝縮を抑制することが可能となり、蒸発器の第１冷媒の流入量が不所望に低下することを回避できる。

また、本発明にかかる冷凍装置は、前記第２気液分離器で分離された液相の前記第４流体部分を前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分に戻すための戻し流路をさらに備え、前記戻し流路には、前記第４流体部分の前記冷媒回路側への戻り量を調節するための流量調節弁が設けられてもよい。

この場合、高圧の状態の混合冷媒が存在する第２気液分離器と、低圧の状態の混合冷媒が存在する圧縮機の上流側とを接続する戻し流路を流量調節弁によって絞ることで、第２気液分離器中の混合冷媒における気相の第３流体部分が圧縮機の上流側に流出してしまう状況を抑制でき、第３凝縮器に所望量の気相の第３流体部分を流入させることができる。また、この際、流量調節弁によって液相の第４流体部分の戻り量を調節することで、第３凝縮器に流入する気相の第３流体部分中の第１冷媒の濃度を調節することが可能となる。これにより、流量調節弁の開度調節によって冷凍能力を調節できる。

また、本発明にかかる冷凍装置は、前記第２気液分離器で分離された液相の前記第４流体部分を前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分に戻すための戻し流路をさらに備え、前記戻し流路には、前記第４流体部分の前記冷媒回路側への戻り量を調節するための流量調節弁が設けられ、前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側にアキュムレータが設けられ、前記第１分岐流路は、前記第３凝縮器から流出した前記第２流体部分を前記アキュムレータよりも上流側で前記冷媒回路に戻すように構成され、前記第２分岐流路は、前記第２凝縮器から流出した前記第２流体部分を前記アキュムレータよりも上流側で前記冷媒回路に戻すように構成され、前記戻し流路は、前記第２気液分離器で分離された前記第４流体部分を前記アキュムレータよりも上流側で前記冷媒回路に戻すように構成されてもよい。

この場合、第１分岐流路、第２分岐流路及び戻し流路が液相冷媒を圧縮機の上流側に戻したとしても、アキュムレータが液相の混合冷媒を分離することで圧縮機への液バックを抑制できる。これにより、液バックを考慮せずに第２膨張弁、第３膨張弁及び戻し流路における流量調節弁を活用できることで、様々な条件下で望ましい冷却を行うことが可能となる。

また、前記第１冷媒はＲ２３であり、前記第２冷媒はＲ１３４ａであってもよい。

この場合、第１冷媒と第２冷媒との間の凝縮温度差を大きく確保できるため、第１凝縮器において第２冷媒の大部分を凝縮でき、第１気液分離器が、混合冷媒を、第１冷媒を極めて多く含む気相の第１流体部分と、第２冷媒を極めて多く含む液相の第２流体部分とに分離することできる。これにより、最終的に蒸発器に流入する混合冷媒における第１冷媒の濃度も確実に増加するため、蒸発器において理想に近い冷却、言い換えると単独の第１冷媒による冷却に近い冷却を行うことができる。そして、Ｒ２３は単独であると、例えば０．１１４Ｍｐａ（ａｂｓ）の圧力下で−８０℃よりも低下し得るため、極めて低温の温度域での冷却を具体的に実現することができる。

また、本発明にかかる液体温調装置は、前記冷凍装置と、前記冷凍装置によって冷却される液体を通流させる液体供給回路と、を備える。

本発明によれば、沸点が互いに異なる二種の冷媒を含む混合冷媒を気液分離することで極めて低温の温度域での冷却を実現でき、この際、混合冷媒に含まれる二種の冷媒のうちの沸点が低い方の冷媒が出力し得る冷凍能力を最大限に引き出すことで、冷却可能な温度を従来よりも引き下げることができる。

本発明の一実施の形態にかかる冷凍装置を備える液体温調装置の概略図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の一実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態にかかる液体温調装置１の概略図である。図１に示されるように、本実施の形態にかかる液体温調装置１は、冷凍装置１０と、液体供給回路１００と、制御部２００と、を備えている。

冷凍装置１０はヒートポンプ式の冷凍装置であり、液体供給回路１００が循環させるブライン等の液体を冷却するために設けられている。液体供給回路１００は、ポンプ１１１の駆動によって液体を通流させ、冷凍装置１０によって冷却された液体を加熱器１１２によって加熱した後、温度制御対象である負荷１５０に供給する。液体供給回路１００では、負荷１５０を通過した液体がポンプ１１１に戻り、冷凍装置１０及び加熱器１１２により冷却及び／又は加熱された後、負荷１５０に再度供給されるようになっている。

冷凍装置１０は、ループ状に形成される冷媒回路１２と、冷媒回路１２から分岐し冷媒回路１２に再度接続される第１分岐流路１３及び第２分岐流路１４と、を備えている。

冷媒回路１２は、第１冷媒と第１冷媒よりも沸点（蒸発温度）が高い第２冷媒とを含む気相の混合冷媒を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０で圧縮された混合冷媒を冷却し、混合冷媒の一部を液相の状態に凝縮させる第１凝縮器２１と、第１凝縮器２１を通過した気液混相の混合冷媒を気相の第１流体部分と第１凝縮器２１によって凝縮された液相の第２流体部分とに気液分離する第１気液分離器２２と、第１気液分離器２２で分離された前記第１流体部分の一部を凝縮させるための第２凝縮器２３と、第２凝縮器２３を通過した気液混相の前記第１流体部分を気相の第３流体部分と第２凝縮器２３によって凝縮された液相の第４流体部分とに分離する第２気液分離器２４と、第２気液分離器２４で分離された前記第３流体部分を凝縮させるための第３凝縮器２５と、第３凝縮器２５で凝縮された前記第３流体部分を膨張させる第１膨張弁２６と、第１膨張弁２６で膨張された前記第３流体部分を蒸発させて圧縮機２０に向けて流出させるための蒸発器２７と、を有している。

なお厳密に説明すると、冷媒回路１２は上記の各構成部材を配管によりループ状に接続することでなる。また、混合冷媒においては、第２冷媒の沸点（蒸発温度）が第１冷媒の沸点（蒸発温度）よりも高くなるが、この場合、第２冷媒の凝縮点（凝縮温度）も第１冷媒の凝縮点（凝縮温度）よりも高くなる。また、図１においては、説明の便宜上、第１気液分離器２２が気液分離する気相の第１流体部分が符号Ｉで示され、液相の第２流体部分が符号ＩＩで示されている。また、第２気液分離器２４が気液分離する気相の第３流体部分が符号ＩＩＩで示され、液相の第４流体部分が符号ＩＶで示されている。

圧縮機２０は、蒸発器２７から流出する気化状態の低圧の混合冷媒を圧縮し、高温且つ高圧の気相冷媒として吐出する。圧縮機２０は一例としてスクロール型圧縮機であるが、他の形式の圧縮機が用いられてもよい。

本実施の形態における混合冷媒において、第１冷媒はＲ２３であり、第２冷媒はＲ１３４ａであり、第１凝縮器２１は、第１冷媒（Ｒ２３）を完全に気相のままとしつつ第２冷媒（Ｒ１３４ａ）を完全に液相の状態に凝縮させることが理想として望まれるが、実際上、第１凝縮器２１が凝縮させる液相部分には、第１冷媒と第２冷媒とが含まれ、凝縮されない気相部分にも、第１冷媒と第２冷媒とが含まれる。ただし、第１冷媒としてＲ２３を用いて、第２冷媒としてＲ１３４ａを用いた場合には、第１冷媒と第２冷媒との間の凝縮温度差を大きく確保することができるため、第１凝縮器２１は、混合冷媒を冷却することで、Ｒ１３４ａとしての第２冷媒の大部分を凝縮できる。これにより、その後、第１気液分離器２２が、混合冷媒を、第１冷媒を極めて多く含む気相の第１流体部分と、第２冷媒を極めて多く含む液相の第２流体部分とに分離することが可能となる。

なお、混合冷媒は本実施の形態の態様に限られるものではなく、他の冷媒の組み合わせにより構成されてもよい。例えば混合冷媒としては、第１冷媒としてのＲ１１６と第２冷媒としてのＲ１３４ａや、第１冷媒としてのＲ２３と第２冷媒としてのＲ１５２ａ等の組み合わせも採用され得る。これらの組み合わせにおいても凝縮温度差を大きく確保できる。

また本実施の形態における第１凝縮器２１は、混合冷媒を通流させる凝縮器本体２１Ａと、凝縮器本体２１Ａを通流する混合冷媒を冷却する冷却部としての複数のファン２１Ｂとを有する。そして本実施の形態においては、ファン２１Ｂの風量が制御部２００によって制御されるようになっている。第１凝縮器２１において凝縮される第２冷媒としてのＲ１３４ａは、その凝縮温度が比較的高いことで空冷により凝縮させることが可能であるが、第２冷媒がＲ１３４ａよりも凝縮温度が低く且つ空冷によって凝縮させることが困難となり得る冷媒である場合には、ファン２１Ｂに代えて、より高い冷却量（冷凍能力）を確保できる例えばブライン回路等が冷却部として用いられてもよい。

第１気液分離器２２は、第１凝縮器２１からの混合冷媒を流入ポート２２Ａから受け入れ、その後、上述したように第１流体部分（Ｉ）と第２流体部分（ＩＩ）とに気液分離する。その後、第１気液分離器２２は、気体流出ポート２２Ｂから気相の第１流体部分（Ｉ）を吐出するとともに、液体流出ポート２２Ｃから液相の第２流体部分（ＩＩ）を吐出するようになっている。

第２凝縮器２３は上述の気体流出ポート２２Ｂから吐出された第１流体部分（Ｉ）の一部を凝縮させるために設けられ、その内部に第１流体部分（Ｉ）を通流させるとともに、第１流体部分（Ｉ）の冷却のための冷却媒体を通流させるようになっている。そして第２凝縮器２３は、第１流体部分（Ｉ）と上記冷却媒体とを熱交換させることで、第１流体部分（Ｉ）の一部を凝縮させるように構成されている。ここで、本実施の形態では、第１流体部分（Ｉ）を冷却する上記冷却媒体として第２流体部分（ＩＩ）が用いられる。第２流体部分（ＩＩ）は、上述した第２分岐流路１４を介して第２凝縮器２３へ流入することになるが、これについての詳細は後述するものとする。なお本実施の形態では、第２凝縮器２３がプレート式熱交換器により構成されるが、シェルアンドチューブ式熱交換器等で構成されてもよい。

第２気液分離器２４は、第２凝縮器２３からの気液混相の混合冷媒を流入ポート２４Ａから受け入れ、その後、上述したように第３流体部分（ＩＩＩ）と第４流体部分（ＩＶ）とに気液分離するようになっている。その後、第２気液分離器２４は、気体流出ポート２４Ｂから気相の第３流体部分（ＩＩＩ）を吐出するとともに、液体流出ポート２４Ｃから液相の第４流体部分（ＩＶ）を吐出する。

第３凝縮器２５は上述の第２気液分離器２４の気体流出ポート２４Ｂから吐出された第３流体部分（ＩＩＩ）を凝縮させるために設けられ、その内部に第３流体部分（ＩＩＩ）を通流させるとともに、第３流体部分（ＩＩＩ）の冷却のために第２流体部分（ＩＩ）を通流させるようになっている。すなわち、第３凝縮器２５は、第３流体部分（ＩＩＩ）と第２流体部分（ＩＩ）とを熱交換させることで第３流体部分（ＩＩＩ）を理想的には全て凝縮させるように構成されている。ここで、第２流体部分（ＩＩ）は、上述した第１分岐流路１３を介して第３凝縮器２５へ流入することになるが、これについての詳細は後述するものとする。なお本実施の形態では、第３凝縮器２５もプレート式熱交換器により構成されるが、シェルアンドチューブ式熱交換器等で構成されてもよい。

また第１膨張弁２６は、第３凝縮器２５で凝縮された液相の第３流体部分（ＩＩＩ）を膨張させて、気液混相の状態に変化させるために設けられている。本実施の形態における第１膨張弁２６は開度調節可能な電子膨張弁であり、その開度を制御部２００によって調節されるようになっている。

また蒸発器２７は、その内部に液体供給回路１００の冷媒を通流させるべく液体供給回路１００に接続されるとともに、その内部に第１膨張弁２６から流出した第３流体部分（ＩＩＩ）を通流させ、第３流体部分（ＩＩＩ）と液体供給回路１００の液体とを熱交換させることで、液体供給回路１００の液体を冷却するとともに気液混相の第３流体部分（ＩＩＩ）を蒸発させるようになっている。本実施の形態では、蒸発器２７もプレート式熱交換器により構成されるが、シェルアンドチューブ式熱交換器等で構成されてもよい。また本実施の形態では、冷凍装置１０によって液体供給回路１００の液体を冷却するため、蒸発器２７として異なる２種の流体を通流可能な形式の熱交換器が採用されるが、冷凍装置１０によって外気を冷却する際には、蒸発器２７はフィンチューブ式熱交換器等であってもよい。

また本実施の形態における冷媒回路１２には、蒸発器２７の下流側で且つ圧縮機２０の上流側にアキュムレータ２８がさらに設けられている。アキュムレータ２８は、混合冷媒に液相部分が含まれた場合に、これを分離して圧縮機２０への液バックを抑制する。

次いで第１分岐流路１３について説明すると、本実施の形態における第１分岐流路１３は、第１気液分離器２２で分離された第２流体部分（ＩＩ）を第３凝縮器２５に供給するべく第３凝縮器２５に接続されるとともに、第３凝縮器２５から流出した第２流体部分（ＩＩ）を冷媒回路１２に戻すようになっている。具体的に第１分岐流路１３は、第１気液分離器２２の液体流出ポート２２Ｃから延び、第３凝縮器２５に接続された後、冷媒回路１２の蒸発器２７の下流側で且つ圧縮機２０の上流側の部分に接続される。第１分岐流路１３は、第１気液分離器２２の液体流出ポート２２Ｃに接続される流入側端部１３Ａと、冷媒回路１２における蒸発器２７の下流側で且つ圧縮機２０の上流側の部分に接続される流出側端部１３Ｂとを有し、流出側端部１３Ｂをアキュムレータ２８の上流側に接続している。

より詳しくは、第１分岐流路１３は、第３凝縮器２５に対して上流側に位置する上流部１３Ｕと、第３凝縮器２５に対して下流側に位置する下流部１３Ｄとを有し、上流部１３Ｕを第３凝縮器２５に設けられる二種の流体流路のうちの一方の流路の流入ポートに接続するとともに、下流部１３Ｄを上記一方の流路の流出ポートに接続する。なお、上記二種の流体流路のうちの他方の流路の流入ポート及び流出ポートには、冷媒回路１２を構成する配管が接続されることになる。

第１分岐流路１３には、第１気液分離器２２で分離された液相の第２流体部分（ＩＩ）を膨張させて第３凝縮器２５に向けて流出させる第２膨張弁３０が設けられ、第２膨張弁３０は、液相の第２流体部分（ＩＩ）を膨張させて低圧且つ低温の気液混相の状態にして第３凝縮器２５に供給する。これにより第３凝縮器２５は、第２流体部分（ＩＩ）によって第３流体部分（ＩＩＩ）を凝縮させることが可能となる。本実施の形態における第２膨張弁３０は開度調節可能な電子膨張弁であり、その開度を制御部２００によって調節されるようになっている。

ここで、第３凝縮器２５内で第２流体部分（ＩＩ）により液相の第３流体部分（ＩＩＩ）を凝縮させるには、第２膨張弁３０で膨張させた第２流体部分（ＩＩ）の温度を、第３流体部分（ＩＩＩ）の凝縮温度よりも低くする必要がある。ここで、本実施の形態では、沸点の差が大きい第１冷媒としてのＲ２３及び第２冷媒としてのＲ１３４ａを用いることで、第２冷媒を多く含む液相の第２流体部分（ＩＩ）を膨張させた際に、第２流体部分（ＩＩ）の温度を、第１冷媒を多く含む気相の第３流体部分（ＩＩＩ）を凝縮させるのに十分な程度に容易に下げることができる。

次に第２分岐流路１４について説明すると、本実施の形態における第２分岐流路１４は、第１気液分離器２２で分離された第２流体部分（ＩＩ）を第２凝縮器２３に供給するべく第２凝縮器２３に接続されるとともに、第２凝縮器２３から流出した第２流体部分（ＩＩ）を冷媒回路１２に戻すようになっている。具体的に第２分岐流路１４は、第１分岐流路１３における第１気液分離器２２と第２膨張弁３０との間の部分から延び、第２凝縮器２３に接続された後、冷媒回路１２の蒸発器２７の下流側で且つ圧縮機２０の上流側の部分に接続される。第２分岐流路１４は、第１分岐流路１３に接続される流入側端部１４Ａと、冷媒回路１２における蒸発器２７の下流側で且つ圧縮機２０の上流側の部分に接続される流出側端部１４Ｂとを有し、流出側端部１４Ｂをアキュムレータ２８の上流側に接続している。

より詳しくは、第２分岐流路１４は、第２凝縮器２３に対して上流側に位置する上流部１４Ｕと、第２凝縮器２３に対して下流側に位置する下流部１４Ｄとを有し、上流部１４Ｕを第２凝縮器２３に設けられる二種の流体流路のうちの一方の流路の流入ポートに接続するとともに、下流部１４Ｄを上記一方の流路の流出ポートに接続する。なお、上記二種の流体流路のうちの他方の流路の流入ポート及び流出ポートには、冷媒回路１２を構成する配管が接続されることになる。

以上のように第２分岐流路１４が第２凝縮器２３に接続されることで、第２凝縮器２３は、第２分岐流路１４から供給された第２流体部分（ＩＩ）によって第１流体部分（Ｉ）の一部を凝縮させることが可能となる。より詳しくは、本実施の形態における第２分岐流路１４には、第１気液分離器２２で分離された液相の第２流体部分（ＩＩ）を膨張させて第２凝縮器２３に向けて流出させる第３膨張弁３１が設けられ、第３膨張弁３１が、液相の第２流体部分（ＩＩ）を膨張させて温度を下げてから第２流体部分（ＩＩ）を第２凝縮器２３に供給する。これにより、第２凝縮器２３は第２流体部分（ＩＩ）によって第１流体部分（Ｉ）の一部を確実に凝縮させることが可能となる。本実施の形態における第３膨張弁３１は開度調節可能な電子膨張弁であり、その開度を制御部２００によって調節されるようになっている。

ここで、本実施の形態における第２凝縮器２３は、第２流体部分（ＩＩ）により液相の第１流体部分（Ｉ）の一部を凝縮させる際に、主として第１流体部分（Ｉ）に含まれる第２冷媒を凝縮させ、第１流体部分（Ｉ）に含まれる第１冷媒の凝縮を極力抑制するように構成される。このような凝縮を実施するためには、第３膨張弁３１によって、第２流体部分（ＩＩ）の膨張後の圧力及び／又は第２凝縮器２３への混合冷媒の流入量を調節することで、第２凝縮器２３の冷凍能力を調節すればよい。このような冷凍能力は、第１冷媒と第２冷媒との混合比率によっても変化し得るため、使用する混合冷媒に応じて適宜調節すればよい。

また本実施の形態では、第２気液分離器２４に、第２気液分離器２４で分離された液相の第４流体部分（ＩＶ）を冷媒回路１２における蒸発器２７の下流側で且つ圧縮機２０の上流側の部分に戻すための戻し流路１５が接続されている。本実施の形態における戻し流路１５は、その一端部を第２気液分離器２４の液体流出ポート２４Ｃに接続し、その他端部を第２分岐流路１４における下流部１４Ｄに接続している。したがって、戻し流路１５は、第２気液分離器２４で分離された第４流体部分（ＩＶ）をアキュムレータ２８よりも上流側で冷媒回路１２に戻すように構成されている。

また戻し流路１５には、第４流体部分（ＩＶ）の冷媒回路１２側への戻り量を調節するための流量調節弁１５Ａが設けられる。本実施の形態では、高圧の状態の混合冷媒が存在する第２気液分離器２４と、低圧の状態の混合冷媒が存在する圧縮機２０の上流側とを接続する戻し流路１５を流量調節弁１５Ａによって絞ることで、第２気液分離器２４中の混合冷媒における気相の第３流体部分（ＩＩＩ）が圧縮機２０の上流側に流出してしまう状況を抑制でき、第３凝縮器２５に所望量の気相の第３流体部分（ＩＩＩ）を流入させることができる。

また本実施の形態における冷凍装置１０は、第１分岐流路１３における第１気液分離器２２と第２膨張弁３０との間の部分から延びて、圧縮機２０に接続されるインジェクション流路１６をさらに備える。インジェクション流路１６は、第１気液分離器２２で分離された第２流体部分（ＩＩ）の圧縮機２０側への流動及び遮断を切り換える開閉弁１６Ａと、開閉弁１６Ａの下流側に設けられ開閉弁１６Ａからの第２流体部分（ＩＩ）を通流させるキャピラリチューブ１６Ｂとを有している。

このインジェクション流路１６では、開閉弁１６Ａを開くことでキャピラリチューブ１６Ｂに流入した液相の第２流体部分（ＩＩ）が膨張されて降温し、この状態で圧縮機２０に流入する。これにより圧縮機２０の温度上昇を抑制することができる。なお開閉弁１６Ａは例えば電磁弁からなり、制御部２００によって制御されるようになっている。

次いで制御部２００について説明すると、本実施の形態における制御部２００は、第１膨張弁２６、第２膨張弁３０、第３膨張弁３１、流量調節弁１５Ａ、ファン２１Ｂ及び開閉弁１６Ａに電気的に接続されている。制御部２００はこれら各部を調節することができる。

次に、本実施の形態にかかる液体温調装置１の動作について説明する。

液体温調装置１による温調動作を開始する際には、まず冷凍装置１０の圧縮機２０が駆動されるとともに、液体供給回路１００のポンプ１１１が駆動される。これにより、冷凍装置１０において混合冷媒が循環するとともに、液体供給回路１００において液体が循環する。

上述のように圧縮機２０が駆動されると、まず、圧縮機２０で圧縮された気相の混合冷媒の一部が第１凝縮器２１によって凝縮される。その後、気液混相となった混合冷媒が、気相の混合冷媒（第１流体部分（Ｉ））と、凝縮により液相となった混合冷媒（第２流体部分（ＩＩ））とに分離される（１回目の気液分離）。その後、気液分離された気相の混合冷媒（第１流体部分（Ｉ））は、第２凝縮器２３によって更に一部を凝縮された後、第２気液分離器２４によって、気相の混合冷媒（第３流体部分（ＩＩＩ））と、凝縮により液相となった混合冷媒（第４流体部分（ＩＶ））とに更に気液分離される（２回目の気液分離）。

ここで、第２凝縮器２３による凝縮の際には、気相の混合冷媒（第１流体部分（Ｉ））において、沸点の高い（言い換えると、凝縮温度の高い）第２冷媒が沸点の低い（言い換えると、凝縮温度の低い）第１冷媒に先行して凝縮する。これにより、その後、第２凝縮器２３を通過した混合冷媒を、気相の混合冷媒（第３流体部分（ＩＩＩ））と、凝縮によって液相となった混合冷媒（第４流体部分（ＩＶ））とに気液分離する際に、第１冷媒の濃度を増加させた状態の気相の混合冷媒（第３流体部分（ＩＩＩ））を抽出でき、第１冷媒の濃度が増加した混合冷媒を第３凝縮器２５に流入させることが可能となる。これにより、１回目の気液分離時よりも第１冷媒の濃度が増加された気相の混合冷媒を第３凝縮器２５において凝縮させ、その後、膨張させることが可能となるため、蒸発器２７に供給される混合冷媒の温度を、１回目の気液分離時の気相の混合冷媒を凝縮後に膨張させる場合よりも低下させることができる。

以上のようにして、本実施の形態によれば、混合冷媒に含まれる二種の冷媒のうちの沸点が低い方の冷媒（第１冷媒）が出力し得る冷凍能力を最大限に引き出すことで、冷却可能な温度を従来よりも引き下げることができる。

なお本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、上述の実施の形態においては種々の変更を加えることができる。

１…液体温調装置、１０…冷凍装置、１２…冷媒回路、１３…第１分岐流路、１３Ａ…流入側端部、１３Ｂ…流出側端部、１３Ｕ…上流部、１３Ｄ…下流部、１４…第２分岐流路、１４Ａ…流入側端部、１４Ｂ…流出側端部、１４Ｕ…上流部、１４Ｄ…下流部、１５…戻し流路、１５Ａ…流量調節弁、１６…インジェクション流路、２０…圧縮機、２１…第１凝縮器、２１Ａ…凝縮器本体、２１Ｂ…ファン、２２…第１気液分離器、２２Ａ…流入ポート、２２Ｂ…気体流出ポート、２２Ｃ…液体流出ポート、２３…第２凝縮器、２４…第２気液分離器、２４Ａ…流入ポート、２４Ｂ…気体流出ポート、２４Ｃ…液体流出ポート、２５…第３凝縮器、２６…第１膨張弁、２７…蒸発器、２８…アキュムレータ、３０…第２膨張弁、３１…第３膨張弁、１００…液体供給回路、１１１…ポンプ、１１２…加熱器、１５０…負荷、２００…制御部

Claims

第１冷媒と前記第１冷媒よりも沸点が高い第２冷媒とを含む気相の混合冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記混合冷媒を冷却し、前記混合冷媒の一部を液相の状態に凝縮させる第１凝縮器と、前記第１凝縮器を通過した気液混相の前記混合冷媒を気相の第１流体部分と前記第１凝縮器によって凝縮された液相の第２流体部分とに分離する第１気液分離器と、前記第１気液分離器で分離された前記第１流体部分の一部を凝縮させるための第２凝縮器と、前記第２凝縮器を通過した気液混相の前記第１流体部分を気相の第３流体部分と前記第２凝縮器によって凝縮された液相の第４流体部分とに分離する第２気液分離器と、前記第２気液分離器で分離された前記第３流体部分を凝縮させるための第３凝縮器と、前記第３凝縮器で凝縮された前記第３流体部分を膨張させる第１膨張弁と、前記第１膨張弁で膨張された前記第３流体部分を蒸発させて前記圧縮機に向けて流出させるための蒸発器と、を有する冷媒回路と、
前記第１気液分離器で分離された前記第２流体部分を前記第３凝縮器に供給するべく前記第３凝縮器に接続されるとともに、前記第３凝縮器から流出した前記第２流体部分を前記冷媒回路に戻すべく前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分に接続される第１分岐流路と、を備え、
前記第１分岐流路は、前記第１気液分離器で分離された前記第２流体部分を膨張させて前記第３凝縮器に向けて流出させる第２膨張弁を有し、前記第３凝縮器は、前記第２膨張弁により膨張された前記第２流体部分によって、前記第２気液分離器で分離された気相の前記第３流体部分を凝縮させるようになっている、ことを特徴とする冷凍装置。
前記第１気液分離器で分離された前記第２流体部分を前記第２凝縮器に供給するべく前記第２凝縮器に接続されるとともに、前記第２凝縮器から流出した前記第２流体部分を前記冷媒回路に戻すために前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分に接続される第２分岐流路をさらに備え、
前記第２凝縮器は、前記第２分岐流路から供給された前記第２流体部分によって前記第１流体部分の一部を凝縮させるようになっている、ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記第２分岐流路は、前記第１気液分離器で分離された前記第２流体部分を膨張させて前記第２凝縮器に向けて流出させる第３膨張弁を有し、
前記第２凝縮器は、前記第３膨張弁により膨張された前記第２流体部分によって前記第１流体部分の一部を凝縮させるようになっている、ことを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
前記第２気液分離器で分離された液相の前記第４流体部分を前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分に戻すための戻し流路をさらに備え、
前記戻し流路には、前記第４流体部分の前記冷媒回路側への戻り量を調節するための流量調節弁が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記第２気液分離器で分離された液相の前記第４流体部分を前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分に戻すための戻し流路をさらに備え、
前記戻し流路には、前記第４流体部分の前記冷媒回路側への戻り量を調節するための流量調節弁が設けられ、
前記冷媒回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側にアキュムレータが設けられ、
前記第１分岐流路は、前記第３凝縮器から流出した前記第２流体部分を前記アキュムレータよりも上流側で前記冷媒回路に戻すように構成され、
前記第２分岐流路は、前記第２凝縮器から流出した前記第２流体部分を前記アキュムレータよりも上流側で前記冷媒回路に戻すように構成され、
前記戻し流路は、前記第２気液分離器で分離された前記第４流体部分を前記アキュムレータよりも上流側で前記冷媒回路に戻すように構成されている、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の冷凍装置。
前記第１冷媒はＲ２３であり、前記第２冷媒はＲ１３４ａである、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の冷凍装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載の前記冷凍装置と、前記冷凍装置によって冷却される液体を通流させる液体供給回路と、を備える液体温調装置。