JP2559220Y2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は、多段式の冷凍装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の多段式冷凍装置の要部回路
図である。同図に示すようにこの装置の冷凍サイクル内
には、沸点の異なる複数の混合冷媒、例えばＲ１１，Ｒ
１２，Ｒ１３等の冷媒成分からなる混合冷媒が封入され
ている。

【０００３】そして、圧縮機１から吐出した混合冷媒
が、油分離器２を通り、凝縮器３で水または空気により
冷却される。さらに混合冷媒は、シリカゲル等の乾燥剤
からなるドライヤが収容された除湿器４を通って水分が
除去されてから、第１の熱交換器５に送り込まれる。そ
こで混合冷媒は、後述する戻り冷媒との熱交換により冷
却されて、混合冷媒のうち主に沸点の最も高い冷媒成分
が凝縮して気液混相の冷媒となる。この気液混相の冷媒
は（第１の）気液分離器６により気液分離されて、液相
冷媒はキャピラリチュ−ブ等の減圧器７を通って減圧膨
張した後、戻り冷媒と合流する。また気相冷媒は（第２
の）熱交換器８に送り込まれ、そこで戻り冷媒との熱交
換により冷却されて、主に２番目に沸点の高い冷媒成分
が凝縮して気液混相の冷媒となる。この気液混相の冷媒
に対し、上記と同様にして気液分離器による気液分離
と、気液分離された冷媒のうちの気相冷媒を熱交換器に
より冷却する冷却処理とが繰り返し行われる。これによ
り、沸点の高い冷媒成分が順に分離されていき、混合冷
媒のうち最も沸点の低い冷媒成分が抽出される。この冷
媒は図示しない最終段のキャピラリチュ−ブで減圧膨張
した後、蒸発器に送り込まれ、そこで外部から熱を吸収
して蒸発する。さらに蒸発器で蒸発した冷媒（戻り冷
媒）は、複数の熱交換器（８，５）を通って冷媒自身の
温度を徐々に上昇させながら、圧縮機１に戻る。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】このような冷凍サイク
ルを有する冷凍装置では、封入される混合冷媒に水分が
含まれており（以下、「混合冷媒」および「冷媒」と称
するときは、水分が含まれているものとする。）、この
水分が分離して氷結することより冷凍サイクル内におけ
る冷媒の循環を阻害する恐れがある。このため、冷媒中
から水分を効率よく除去することが必要となる。

【０００５】しかしながら、従来の冷凍装置では、除湿
器４を第１の気液分離器６よりも冷媒の循環方向に対し
上流側に取り付けている。この取付位置は、混合冷媒の
気液分離処理を行う前で、すべての冷媒成分が混在して
おり、冷媒中の水蒸気圧（水分の分圧）が低く、水分を
効率よく除去することができなかった。

【０００６】またシリカゲル等の乾燥剤では、冷媒中の
水蒸気圧が一定の場合でも飽和水蒸気圧が低下すると水
分の吸着率が上昇し、逆に飽和水蒸気圧が高いと水分の
吸着率は低くなる。このため、従来の冷凍装置のように
除湿器４を第１の熱交換器５よりも冷媒循環方向に対し
上流側に取り付けた場合、冷媒を第１の熱交換器５によ
り冷却する前の高温領域で水分を吸着することになり、
そのような高温領域では飽和水蒸気圧が高く、この点に
おいても水分を効率よく除去できないという問題が発生
する。

【０００７】一方、図６に示すように上記高温領域で、
吸着剤により水分が吸着されることにより、冷媒圧ＰＨ
中の水蒸気圧ＰＨ２は飽和水蒸気圧ＰＨ１よりも低いと
ころで平衡状態にある。この状態の混合冷媒に気液分離
処理および冷却処理が繰り返し行われて、高沸点側の液
相状態の冷媒が順に分離されていくと、その冷媒にはほ
とんど水分が溶解しないため、抽出される低沸点冷媒の
水蒸気圧は次第に上昇していく。しかも冷却処理が繰り
返されることにより、冷媒温度が低下して飽和水蒸気圧
は低下する。

【０００８】このとき、超低温（−１５０℃以下）を発
生するような冷凍装置では、図７に示すように、例えば
最終段の熱交換器周辺の低温領域において、冷媒圧ＰＬ
中の飽和水蒸気圧ＰＬ１が水蒸気圧ＰＬ２よりも低くな
り、そうなると水蒸気圧ＰＬ２が飽和水蒸気圧ＰＬ１に
等しくなるように冷媒中の水分が分離して氷結する。

【０００９】さらにこのような現象が繰り返し行われる
うちに、冷媒の水蒸気圧が低下していく。この水蒸気圧
の低い乾燥冷媒が冷凍サイクル内を循環して除湿器４に
送り込まれたとき、乾燥冷媒の水蒸気圧が、ドライヤの
水分吸着による平衡水蒸気圧ＰＨ２（図６）よりも低く
なっていると、逆に水分がドライヤから冷媒中に放出さ
れる。こうして冷媒中に取り込まれた水分は、上記と同
様にして低温領域で分離し氷結する。このようにドライ
ヤが加湿源となって冷媒中に水分を放出する一方、その
水分が低温領域で分離し、低温領域で多量の氷結が発生
し、冷媒の循環を阻害するという問題も有していた。

【００１０】この考案の第１の目的は、上記従来技術の
問題を解消し、冷媒中の水分を効率よく除去できる冷凍
装置を提供することである。

【００１１】この考案の第２の目的は、冷媒中の水分を
効率よく除去でき、冷凍サイクル内で水分が分離して氷
結するのを防止できる冷凍装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の考案は、圧縮
機から吐出された多成分混合冷媒に対し、凝縮手段によ
り前記混合冷媒の一部を凝縮させる凝縮処理と、その凝
縮処理により一部が凝縮された気液混相の冷媒を気液分
離器により気液分離する気液分離処理とを少なくとも１
回行って、前記混合冷媒のうち最も沸点の低い冷媒を気
相状態で抽出し、その冷媒を凝縮手段により凝縮してか
ら減圧して蒸発器に通し、前記圧縮機に戻す冷凍装置で
あって、上記第１の目的を達成するため、冷媒中の水分
を除去するための乾燥剤が収容された除湿器を、前記気
液分離器の気相出口から次の凝縮手段までの冷媒経路上
に取り付けている。

【００１３】請求項２の考案は、請求項１の冷凍装置で
あって、さらに上記第２の目的を達成するため、前記気
液分離器が複数設けられて、前記除湿器が前記複数の気
液分離器のうち最終段の気液分離器の気相出口から次の
凝縮手段までの冷媒経路上に取り付けられている。

【００１４】

【作用】請求項１の冷凍装置においては、乾燥剤が収容
された除湿器を気液分離器の気相出口から次の凝縮手段
までの冷媒経路上に取り付けているため、除湿器に送り
込まれる低沸点の冷媒は、気液分離により高沸点の冷媒
が分離されることにより、水蒸気圧が高く、しかも冷却
により飽和水蒸気圧が低い状態となり、その状態で乾燥
剤により水分を吸着できる。また、気液分離器からの気
相冷媒中の水分の除去は、その冷媒が次の凝縮手段に至
る前の気相状態でなされることになる。

【００１５】請求項２の冷凍装置においては、除湿器
を、最終段の気液分離器の気相出口から蒸発器までの冷
媒経路上に取り付けているため、除湿器に送り込まれる
低沸点の冷媒は、複数の気液分離処理により他の冷媒成
分がすべて分離されることにより、冷媒中の水蒸気圧が
冷凍サイクル内で最も高く、しかも複数の冷却処理によ
り冷却されて飽和水蒸気圧が冷凍サイクル内でほぼ最低
の状態となり、その状態で乾燥剤により水分を吸着でき
る。また、水分除去時の冷媒の水蒸気圧は、冷凍サイク
ル内でほぼ最低の飽和水蒸気圧よりも低いところで平衡
状態となり、冷凍サイクル内において飽和水蒸気圧が水
蒸気圧よりも終始高くなる。

【００１６】

【実施例】図１はこの考案の実施例である冷凍装置の回
路図である。同図に示すように、この冷凍装置には、圧
縮機１１、油分離器１２、空冷または水冷式凝縮器（凝
縮手段）２１、第１ないし第４の気液分離器３１〜３
４、第１ないし第６のキャピラリチュ−ブ４１〜４６等
の減圧器、第１ないし第６の熱交換器（凝縮手段）５１
〜５６、蒸発器６０、および除湿器１００が設けられる
とともに、これらの機器が配管等の冷媒経路によって接
続されて、冷凍サイクルが形成されている。さらに、冷
凍サイクル内にはＲ１１，Ｒ１２，Ｒ１３等の沸点のそ
れぞれ異なる複数の冷媒成分からなる混合冷媒が封入さ
れる。

【００１７】冷媒経路を詳細に説明すると、圧縮機１１
の吐出口は、油分離器１２、凝縮器２１および第１の熱
交換器５１を介して第１の気液分離器３１に接続され
る。さらに第１ないし第３の気液分離器３１〜３３の気
相出口は第２ないし第４の熱交換器５２〜５４を介して
第２ないし第４の気液分離器３２〜３４にそれぞれ接続
されるとともに、第１ないし第４の気液分離器３１〜３
４の液相出口は第１ないし第４のキャピラリチュ−ブ４
１〜４４を介して後述する冷媒戻りライン８０にそれぞ
れ接続される。

【００１８】第４の気液分離器３４の気相出口は除湿器
１００を介して第５の熱交換器５５に接続される。除湿
器１００は、図２に示すようにケーシング１０１を有し
ており、そのケーシング１０１内にシリカゲル、モレキ
ュラシーブ等の乾燥剤からなるドライヤ１０２が収容さ
れている。そして、第４の気液分離器３４の気相出口に
接続された冷媒管７１がケーシング１０１の流入口１０
３に接続されるとともに、第５の熱交換器５５に接続さ
れた冷媒管７２がケーシング１０１の流出口１０４に接
続される。これにより、第４の気液分離器３４の気相出
口から流出した冷媒が除湿器１００内のドライヤ１０２
間を通って第５の熱交換器５５に送り込まれる。

【００１９】図１に戻って、第５の熱交換器５５の流出
口から引き出された冷媒経路は、第６の熱交換器５６を
介して二方に分岐し、一方側の冷媒経路が第５のキャピ
ラリチュ−ブ４５および第６の熱交換器５６を通って冷
媒戻りライン８０に接続される。また、他方側の冷媒経
路は第６のキャピラリチュ−ブ４６を通って蒸発器６０
に接続される。

【００２０】蒸発器６０から引き出された冷媒経路（冷
媒戻りライン８０）は、第５ないし第１の熱交換器５５
〜５１をこの順に通って圧縮機１１に接続される。

【００２１】なおこの冷凍装置において、最終段の気液
分離器は第４の気液分離器３４により構成される。

【００２２】次にこの冷凍装置の動作について説明す
る。なお下記の説明中で、冷媒および混合冷媒と称する
ときは、それらの冷媒中に水分が含まれているものとす
る。

【００２３】圧縮機１１から吐出した高温、高圧の混合
ガス冷媒は油分離器１２により油成分が除去されてか
ら、凝縮器２１および第１の熱交換器５１内で水または
空気、および戻りライン８０の戻り冷媒との熱交換によ
り冷却されて、混合冷媒のうち主に最も沸点の高い冷媒
成分が凝縮して、気液混相の冷媒となり、第１の気液分
離器３１に送り込まれる。

【００２４】第１の気液分離器３１内で、気液混相の冷
媒は気相冷媒と液相冷媒とに分離されて、液相冷媒は第
１のキャピラリチュ−ブ４１で減圧膨張した後、冷媒戻
りライン８０に送り込まれ戻り冷媒と合流する。一方、
気相冷媒は第２の熱交換器５２に送り込まれ、そこで戻
り冷媒との熱交換により冷却されて、主に２番目に沸点
の高い冷媒成分が凝縮して、気液混相の冷媒となり、第
２の気液分離器３２に送り込まれる。

【００２５】第２ないし第４の気液分離器３２〜３４、
第２および第３のキャピラリチュ−ブ４２，４３、およ
び第３および第４の熱交換器５３，５４においても、上
記と同様な動作が行われる。こうして、混合冷媒が次第
に冷却されながら、沸点の高い冷媒成分から順に分離さ
れ圧縮機１１側に戻される。そして、第４の（最終段
の）気液分離器３４で気液分離された２つの冷媒成分の
うち、沸点の高い方の液相状態の冷媒成分は、第４のキ
ャピラリチュ−ブ４４で減圧膨張されて、冷媒戻りライ
ン８０に送り込まれて戻り冷媒と合流する。また、気相
状態の冷媒成分、すなわち混合冷媒の全成分のうち最も
沸点の低い冷媒は除湿器１００に送り込まれ、そこで水
分が除去される。

【００２６】この場合、各気液分離器３１〜３４で分離
される高沸点側の液相冷媒にはほとんど水分が溶解しな
いため、除湿器１００に送り込まれる気相冷媒は、他の
冷媒成分が分離されることにより、水蒸気圧が冷凍サイ
クル内で最も高い状態となっている。このため、冷媒中
の水分がドライヤ１０２により効率よく吸収される。し
かも、この低沸点冷媒は、凝縮器２１および第１ないし
第４の熱交換器５１〜５４により冷却される。このた
め、飽和水蒸気圧も冷凍サイクル内でほぼ最低の状態と
なり、この点においてもドライヤ１０２により水分を効
率よく吸収できる。なお図３に示すように、このときの
冷媒中の水蒸気圧Ｐ２は、冷凍サイクル内でほぼ最低の
飽和水蒸気圧Ｐ１よりも低いところで平衡状態となって
いる。

【００２７】装置動作の続きを説明すると、除湿器１０
０を通過した気相冷媒は、第５および第６熱交換器５
５，５６で戻り冷媒との熱交換により凝縮されて二方に
分岐し、一方側の液相冷媒（戻り冷媒）は、第５のキャ
ピラリチュ−ブ４５で減圧膨張してから、第６の熱交換
器５６で熱吸収により蒸発し、冷媒戻りライン８０に送
り込まれる。また、他方側の液相冷媒は第６のキャピラ
リチュ−ブ４６で減圧膨張してから、蒸発器６０に送り
込まれ、ブライン回路１１０を循環するブラインから熱
を吸収して蒸発する。そして、蒸発器６０から送り出さ
れた気相冷媒（戻り冷媒）は、第５ないし第１の熱交換
器５５〜５１を順に通過しながら自身の温度を上昇さ
せ、最終的には常温の低圧ガスとなって圧縮機１１に戻
る。

【００２８】一方、蒸発器６０で冷却されたブラインは
ブライン回路１１０を循環し、図示しない被冷却体から
熱を吸収して再度蒸発器６０に戻る。

【００２９】以上のように、この冷凍装置では、気相冷
媒中の水蒸気圧が最も高く、しかも飽和水蒸気圧がほぼ
最低の状態で、ドライヤにより水分を吸着しているた
め、水分を効率よく吸収でき、冷凍サイクル内での水分
の分離およびその氷結を防止できる。また、通常水分
は、Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３などの液相冷媒にはほとん
ど溶解しない。このため、冷凍サイクル中の水分は、気
相の冷媒中にそのほとんどが含まれることになる。した
がって、第４の気液分離器３４の液相出口側に除湿器を
取り付けるよりも、本実施例のように第４の気液分離器
３４の気相出口側に除湿器１００を取り付けた方が、冷
凍サイクル中の水分を効率よく除去することができる。
さらに、第４の気液分離器３４の気相出口側に除湿器１
００を取り付けた場合にあっても、図４に示す提案例の
ように、除湿器１００を第６の熱交換器５６と、第５及
び第６のキャピラリチュ−ブ４５，４６との間の冷媒経
路上に取り付けると、除湿されていない気相冷媒がその
まま第４の気液分離器３４から第５及び第６熱交換器５
５，５６に送り込まれて冷却され凝縮されることにな
り、そこで冷媒中の水分が分離し氷結する可能性があ
る。しかしながら本実施例の場合には、第４の気液分離
器３４からの気相冷媒が次に第５及び第６熱交換器５
５，５６で冷却されるよりも前に、除湿器１００により
その気相冷媒中の水分を除去しているため、第５及び第
６熱交換器５５，５６で冷媒中の水分が分離し氷結する
ようなことはない。

【００３０】なお、除湿器１００から流出した冷媒は第
５および第６の熱交換器５５，５６、さらに第５および
第６のキャピラリチュ−ブ４５，４６を通過することに
より、冷媒温度が低下し、冷媒中の飽和水蒸気圧が低下
する。この場合、これらの機器による一回の凝縮、減圧
処理では、さほど飽和水蒸気圧が低下するようなことは
なく、その飽和水蒸気圧が平衡水蒸気圧Ｐ２（図３）よ
りも低くなることはほとんど考えられない。したがっ
て、冷凍サイクル内において冷媒中の飽和水蒸気圧が水
蒸気圧よりも終始高くなり、冷媒中の水分が分離せず氷
結することもない。

【００３１】

【００３２】

【００３３】

【００３４】

【００３５】＜変形例＞ 上記実施例では、除湿器１００を最終段の気液分離器３
４の気相出口と、最終段のキャピラリチュ−ブ４５，４
６との間に取り付けるようにしているが、第１の気液分
離器３１の気相出口側から蒸発器６０までの冷媒経路上
であれば、いずれの箇所に取り付けてもよい。この場
合、上記実施例の第６の熱交換器５６は、沸点の最も低
い冷媒を蒸発させる作用も果たすため、蒸発器に含まれ
る。

【００３６】また、除湿器１００の数も１つに限られ
ず、複数個取り付けてもよい。

【００３７】

【考案の効果】以上のように、請求項１の冷凍装置によ
れば、乾燥剤が収容された除湿器を気液分離器の気相出
口から次の凝縮手段までの冷媒経路上に取り付けている
ため、除湿器に送り込まれる低沸点の冷媒は、気液分離
により高沸点の冷媒が分離されることにより、水蒸気圧
が高く、しかも冷却により飽和水蒸気圧が低い状態とな
り、その状態で乾燥剤により水分が吸着されて水分を効
率よく除去できるという第１の効果が得られる。また、
通常水分は、液相の冷媒内にはほとんど溶解しないた
め、冷凍サイクル内の水分のほとんどが気相の冷媒中に
含まれることになる。したがって、例えば気液分離器の
液相出口側に除湿器を取り付けるよりも、本考案のよう
に気相出口側に除湿器を取り付けた方が当該冷凍サイク
ル中の水分を効率よく除去することができる。なお、こ
のように気液分離器の気相出口側の除湿器を取り付けた
場合であっても、その除湿器が気液分離器の次の凝縮手
段よりも下流側に取り付けられた場合には、除湿されて
いない気相冷媒がそのまま当該次の凝縮手段に送り込ま
れて凝縮されることになり、そこで冷媒中の水分が分離
し氷結する可能性がある。しかしながら本考案の場合に
は、気液分離器からの気相冷媒が次の凝縮手段により凝
縮されるよりも前に、除湿器によりその気相冷媒中の水
分を除去しているため、当該次の凝縮手段で冷媒中の水
分が分離し氷結するようなことはない。

【００３８】請求項２の冷凍装置によれば、上述の効果
に加えて、除湿器を、最終段の気液分離器の気相出口か
ら次の凝縮手段までの冷媒経路上に取り付けているた
め、除湿器に送り込まれる低沸点の冷媒は、複数の気液
分離処理により他の冷媒成分がすべて分離されることに
より、水蒸気圧が冷凍サイクル内で最も高く、しかも複
数の冷却処理により冷却されて飽和水蒸気圧が冷凍サイ
クル内でほぼ最低の状態となり、その状態で乾燥剤によ
り水分が吸着されて水分を効率よく除去できる。また、
水分除去時の気相冷媒の水蒸気圧は、冷凍サイクル内で
ほぼ最低の飽和水蒸気圧よりも低いところで平衡状態と
なり、冷凍サイクル内において飽和水蒸気圧が水蒸気圧
よりも終始高く、水分の分離およびその氷結を防止でき
るという第２の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の実施例である冷凍装置の回路図であ
る。

【図２】この考案の実施例に適用された除湿器の概略断
面図である。

【図３】この考案の実施例の効果を説明するための図で
ある。

【図４】提案例である冷凍装置の回路図である。

【図５】従来の冷凍装置の要部回路図である。

【図６】従来の冷凍装置の問題点を説明するための図で
ある。

【図７】従来の冷凍装置の問題点を説明するための図で
ある。

【符号の説明】

１１ 圧縮機 ３１，３２，３３，３４ 気液分離器 ６０ 蒸発器 １００ 除湿器 １０２ ドライヤ

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機から吐出された多成分混合冷媒に
   対し、凝縮手段により前記混合冷媒の一部を凝縮させる
   凝縮処理と、その凝縮処理により一部が凝縮された気液
   混相の冷媒を気液分離器により気液分離する気液分離処
   理とを少なくとも１回行って、前記混合冷媒のうち最も
   沸点の低い冷媒を気相状態で抽出し、その冷媒を凝縮手
   段により凝縮してから減圧して蒸発器に通し、前記圧縮
   機に戻す冷凍装置において、 冷媒中の水分を除去するための乾燥剤が収容された除湿
   器を、前記気液分離器の気相出口から次の凝縮手段まで
   の冷媒経路上に取り付けたことを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 請求項１の冷凍装置であって、 前記気液分離器が複数設けられて、前記除湿器が前記複
   数の気液分離器のうち最終段の気液分離器の気相出口か
   ら次の凝縮手段までの冷媒経路上に取り付けられる冷凍
   装置。