JP2626912B2 - Refrigeration equipment - Google Patents
Refrigeration equipmentInfo
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- JP2626912B2 JP2626912B2 JP63330615A JP33061588A JP2626912B2 JP 2626912 B2 JP2626912 B2 JP 2626912B2 JP 63330615 A JP63330615 A JP 63330615A JP 33061588 A JP33061588 A JP 33061588A JP 2626912 B2 JP2626912 B2 JP 2626912B2
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、生体や微生物細胞の凍結保存等に好適な超
低温冷凍装置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultra-low-temperature refrigeration apparatus suitable for cryopreservation of living organisms and microbial cells.
(従来の技術) 医療やバイオテクノロジの分野における技術の発達に
伴い、生体や微生物等を冷凍保存するための冷凍装置
は、冷凍保存中の細胞が極力破壊されることのない、よ
り長期保存のできるものが望まれるため、極めて低い温
度の得られる冷凍装置が必要になっている。(Prior art) With the development of technology in the fields of medical and biotechnology, refrigeration equipment for cryopreservation of living organisms and microorganisms has been used for longer term storage, as long as cells during cryopreservation are not destroyed as much as possible. Since what can be done is desired, a refrigerating device that can obtain an extremely low temperature is required.
こうした必要に応じるため、いろいろの手段が講じら
れているが、沸点温度の異なる複数種の冷媒からなる混
合冷媒を、沸点温度の高い冷媒から沸点温度の低い冷媒
へと順次凝縮して行き、最も低い蒸発温度の冷媒を最終
的に蒸発させて、所望の超低温を得るいわゆる混合冷媒
方式の冷凍が行われている。In order to meet such needs, various measures have been taken, but a refrigerant mixture comprising a plurality of types of refrigerants having different boiling points is sequentially condensed from a refrigerant having a higher boiling point to a refrigerant having a lower boiling point. A so-called mixed refrigerant type refrigeration for finally evaporating a refrigerant having a low evaporation temperature to obtain a desired ultra-low temperature is performed.
ところが、こうしたもので得られる超低温には限度が
あることから、第1冷凍回路と複数種の冷媒からなる混
合冷媒を封入した第2冷凍回路とを設け、第1冷凍回路
の蒸発器と第2冷凍回路の凝縮器との間に熱交換させる
ように二元冷凍方式の冷凍回路を使用することで、小型
で温度がの制御性がよく、かつ熱交換効率よく超低温の
得られるものが特開昭62−73046号公報に開示されてい
る。そして、第2冷凍回路には、R21、R13、R1、R14、R
59といった4種の冷媒からなる混合冷媒を封入し、約−
150℃の超低温度を得ている。However, since there is a limit to the ultra-low temperature obtained by such a device, a first refrigeration circuit and a second refrigeration circuit filled with a mixed refrigerant comprising a plurality of types of refrigerants are provided, and an evaporator of the first refrigeration circuit and a second refrigeration circuit are provided. By using a dual refrigerating system refrigeration circuit so that heat is exchanged with the condenser of the refrigeration circuit, it is possible to obtain an ultra-low temperature with a small size, good controllability of temperature, and high heat exchange efficiency. It is disclosed in JP-A-62-73046. And, in the second refrigeration circuit, R21, R13, R1, R14, R
A mixed refrigerant consisting of four refrigerants such as 59
It has a very low temperature of 150 ° C.
一方、混合冷媒方式の冷凍装置は、気液分離と熱交換
とを順次行った上、最終的に行う蒸発によって所望の低
温を得るものであるが、起動直後においては、冷却器の
温度が十分に低下していないため、ここで蒸発し、冷却
作用を行った冷媒は、冷却の熱容量に応じた熱負荷によ
り相当な高温になりがちである。こうした高温のガス冷
媒が、圧縮機に戻るまでのカスケード熱交換器を通過す
る際、そこでの熱交換を不安定なものにするため、冷却
器による冷却が不安定になるばかりでなく、立上がりが
悪くなる。また、高温のガス冷媒が直接、圧縮機へ戻る
場合は、圧縮機の過熱が起こるので、前述冷却の不安定
や立上がりの悪さだけでなく装置の故障に対する不安も
ある。On the other hand, the refrigeration system of the mixed refrigerant system sequentially performs gas-liquid separation and heat exchange, and obtains a desired low temperature by finally performing evaporation. Therefore, the refrigerant that evaporates and performs the cooling action tends to become considerably high in temperature due to a heat load corresponding to the heat capacity of cooling. When such high-temperature gas refrigerant passes through the cascade heat exchanger before returning to the compressor, the heat exchange there becomes unstable, so not only the cooling by the cooler becomes unstable, but also the rising Deteriorate. Further, when the high-temperature gas refrigerant returns directly to the compressor, the compressor is overheated, so that not only the above-mentioned instability of cooling and the poor start-up but also an anxiety about failure of the device.
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、従来の超低温冷凍装置では、二次元冷
凍方式をとっているため、圧縮機が2台必要となり、冷
凍装置の構成が複雑になるばかりでなく、2つの冷凍回
路間で熱交換を行うための制御装置を必要とするので、
制御の面から見ても冷凍装置が複雑になってくる。ま
た、混合冷媒方式における起動時における動作不安定と
いった問題もある。(Problems to be Solved by the Invention) However, the conventional ultra-low-temperature refrigeration system employs a two-dimensional refrigeration system, which requires two compressors, which not only complicates the configuration of the refrigeration system, but also increases Since a control device for exchanging heat between refrigeration circuits is required,
The refrigeration system becomes complicated from the viewpoint of control. There is also a problem that operation is unstable at the time of startup in the mixed refrigerant system.
そこで、この発明は、こうした冷凍装置が複雑な構成
となることを排除し、構成及び制御の両面からみても簡
単であり、−150℃といった超低温が得られるとともに
起動の当初から安定した冷却の行える超低温の冷凍装置
を得ることを課題とする。Therefore, the present invention eliminates such a refrigeration apparatus having a complicated configuration, is simple in terms of both configuration and control, can obtain an extremely low temperature of -150 ° C., and can perform stable cooling from the beginning of startup. It is an object to obtain an ultra-low temperature refrigeration system.
(課題を解決するための手段) この発明では、冷凍装置は、混合冷媒方式の一元冷凍
方式であって、封入される混合冷媒は、混合されている
複数種類の冷媒の蒸発温度差が順次、所定間隔となるも
のである。(Means for Solving the Problems) In the present invention, the refrigeration apparatus is a single-unit refrigeration system of a mixed refrigerant system, and the mixed refrigerant to be enclosed is such that the evaporation temperature differences of a plurality of types of mixed refrigerants are sequentially reduced. This is a predetermined interval.
そして、圧縮機から冷却器に至る間には、まず凝縮器
が設けられ、次に気液分離器とカスケード熱交換器と
を、気液分離器で分離した残留ガス冷媒と同じく分離し
た液冷媒を減圧して気液混合状態となった冷媒との間で
熱交換するように接続し、これを第1段から順次接続し
て第4段目まで設け、さらに最終段にある第4カスケー
ド熱交換器からの残留ガス冷媒を液化する副冷却器を設
けている。また、副冷却器は、ここで冷却されて液化し
た低沸点冷媒の一部を減圧したものを第4カスケード熱
交換器からの残留ガス冷媒との間で熱交換されるように
接続されており、主冷却器及び副冷却器で冷却作用をし
て流出する冷媒は、第4カスケード熱交換器から順次逆
に第1カスケード熱交換器を経由して圧縮機に戻るよう
に接続されている。Then, between the compressor and the cooler, a condenser is first provided, and then the gas refrigerant is separated from the gas-liquid separator and the cascade heat exchanger in the same manner as the residual gas refrigerant separated by the gas-liquid separator. Are connected so as to exchange heat with the refrigerant in a gas-liquid mixed state by reducing the pressure, and these are sequentially connected from the first stage to the fourth stage, and further, the fourth cascade heat in the final stage is provided. A sub-cooler for liquefying the residual gas refrigerant from the exchanger is provided. The sub-cooler is connected so that a part of the low-boiling refrigerant that has been cooled and liquefied is depressurized and heat-exchanged with the residual gas refrigerant from the fourth cascade heat exchanger. The refrigerant flowing out of the main cooler and the sub-cooler after being cooled is connected from the fourth cascade heat exchanger to the compressor via the first cascade heat exchanger.
すなわち、この発明の冷凍装置は、高沸点から低沸点
に至るまで、沸点の温度差が順次、所定間隔となる複数
種類の冷媒からなる混合冷媒を封入してなり、この混合
冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機で圧縮した混合冷
媒を冷却する凝縮器と、この冷却された混合冷媒を主と
して高沸点の液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する第1気
液分離器と、この第1気液分離器で分離された残留ガス
冷媒を、同様に分離された後に減圧された高沸点液冷媒
との間で熱交換させる第1カスケード熱交換器と、この
第1カスケード熱交換器で熱交換された残留ガス冷媒
を、以下、主としてより沸点の高い冷媒から順次、同様
に液冷媒及び残留ガス冷媒とに分離する第2、第3及び
第4の気液分離器と、これら第2、第3及び第4気液分
離器で分離された残留ガス冷媒を、同じく分離された後
に減圧された液冷媒との間でそれぞれ熱交換させる第
2、第3及び第4のカスケード熱交換器と、この第4カ
スケード熱交換器からの残留低沸点ガス冷媒を、自身の
出口から出た冷媒のうちの一部でかつ減圧された冷媒と
の間で熱交換することによって液化する副冷却器と、こ
の副冷却器の出口から出た冷媒のうちの残部でかつ減圧
された冷媒を蒸発させる主冷却器とを具備し、これら主
冷却器及び副冷却器で冷却作用をした冷媒を、順次、逆
に前記第4カスケード熱交換器から第1カスケード熱交
換器を経由して前記圧縮機へ帰還させるように構成した
ことを特徴とするものである。In other words, the refrigeration apparatus of the present invention is characterized in that a mixed refrigerant composed of a plurality of types of refrigerant having a predetermined difference in boiling point temperature is sequentially sealed from a high boiling point to a low boiling point, and the compressed refrigerant is compressed. A refrigerant that cools the mixed refrigerant compressed by the compressor; a first gas-liquid separator that mainly separates the cooled mixed refrigerant into a high-boiling liquid refrigerant and a residual gas refrigerant; A first cascade heat exchanger for exchanging heat between the residual gas refrigerant separated by the gas-liquid separator and a high-boiling liquid refrigerant which is similarly separated and then decompressed; The second, third, and fourth gas-liquid separators that separate the exchanged residual gas refrigerant into a liquid refrigerant and a residual gas refrigerant in the same manner in order from a refrigerant having a higher boiling point, and Residues separated by the third and fourth gas-liquid separators , Third, and fourth cascade heat exchangers for exchanging heat between the liquid refrigerant and the decompressed liquid refrigerant, respectively, after being separated, and the residual low-boiling gas from the fourth cascade heat exchanger The subcooler that liquefies the refrigerant by exchanging heat with the decompressed refrigerant, which is part of the refrigerant that has exited from its own outlet, and of the refrigerant that has exited from the outlet of the subcooler. A main cooler that evaporates the remaining and depressurized refrigerant, and sequentially transfers the refrigerant that has been cooled by the main cooler and the sub-cooler from the fourth cascade heat exchanger to the first cascade heat exchanger. The compressor is configured to return to the compressor via an exchanger.
(作用) 圧縮機で圧縮されたガス状の混合冷媒は凝縮器で冷却
されて、液化した高沸点冷媒と残留ガスとの混在状態と
なり、第1気液分離器でそれらが分けられる。ここで分
けられた残留ガス冷媒は、同じくここで分けられた液冷
媒を減圧したものと第1カスケード熱交換器で熱交換さ
れ、次段の第2気液分離器に供給される。以下、同様に
して順次、第2、第3及び第4気液分離器で主として中
沸点から低沸点にかけての冷媒が気液分離され、第2、
第3及び第4カスケード熱交換器でそれぞれ熱交換す
る。(Operation) The gaseous mixed refrigerant compressed by the compressor is cooled by the condenser, becomes a mixed state of the liquefied high-boiling refrigerant and the residual gas, and is separated by the first gas-liquid separator. The separated residual gas refrigerant is heat-exchanged in the first cascade heat exchanger with the decompressed liquid refrigerant, which is also divided here, and is supplied to the second-stage second gas-liquid separator. Hereinafter, in the same manner, the refrigerant mainly from the middle boiling point to the low boiling point is separated into gas and liquid in the second, third and fourth gas-liquid separators in sequence.
Heat is exchanged in the third and fourth cascade heat exchangers, respectively.
最終段の第4カスケード熱交換器を出た低沸点ガス冷
媒は副冷却器に入って液化される。副冷却器では、その
出口を出た低沸点冷媒の一部を減圧したものと、ここへ
入る低沸点ガス冷媒との間で熱交換され、低沸点ガス冷
媒は完全に液化する。The low-boiling gas refrigerant that has exited the fourth cascade heat exchanger in the final stage enters the subcooler and is liquefied. In the sub-cooler, heat is exchanged between a part of the low-boiling refrigerant that has exited the outlet and a low-boiling gas refrigerant that enters the sub-cooler, and the low-boiling gas refrigerant is completely liquefied.
副冷却器を出た低沸点液冷媒の大部分は減圧されて主
冷却器に入り、そこで蒸発して超低温を発生する。Most of the low-boiling liquid refrigerant leaving the sub-cooler is depressurized and enters the main cooler, where it evaporates to produce ultra-low temperatures.
前記主冷却器で蒸発した低沸点ガス冷媒と副冷却器で
冷却作用した低沸点ガス冷媒とは共に順次、第4、第
3、第2及び第1カスケード熱交換器を経由して圧縮機
へ帰還するが、その際、第4、第3、第2及び第1気液
分離器で分離された液冷媒の減圧されたものと順次合流
していく。The low-boiling gas refrigerant evaporated in the main cooler and the low-boiling gas refrigerant cooled in the sub-cooler are sequentially sent to the compressor via the fourth, third, second, and first cascade heat exchangers. At that time, the liquid refrigerant separated at the fourth, third, second, and first gas-liquid separators sequentially merges with the decompressed liquid refrigerant.
このように、本発明においては冷凍回路を一元とし、
気液分離器とカスケード熱交換器との組合わせの段数を
4段として、沸点温度の異なる複数種類の冷媒からなる
混合冷媒を、主として高沸点のものから低沸点のものへ
順次気液分離と熱交換(冷却)とを行い、最も沸点温度
の低い冷媒を最終的に液化したものを主冷却器で蒸発さ
せて超低温を得るようにしている。従って、圧縮機の吐
出圧力を低くできる上、二次冷凍方式と異り、圧縮機は
1台で済み、また、2つの冷凍回路間の動作を制御する
ための装置も要らない。ここで使える圧縮機は、ごく普
通の空調用や冷蔵用に使用される圧縮機と同様のものに
なる。Thus, in the present invention, the refrigeration circuit is integrated,
The number of stages of the combination of the gas-liquid separator and the cascade heat exchanger is set to four, and the mixed refrigerant composed of a plurality of types of refrigerants having different boiling points is sequentially subjected to gas-liquid separation from those having a high boiling point to those having a low boiling point. Heat exchange (cooling) is performed, and a refrigerant finally liquefied with the lowest boiling point is evaporated in the main cooler to obtain an ultra-low temperature. Therefore, the discharge pressure of the compressor can be reduced, and unlike the secondary refrigeration system, only one compressor is required, and no device for controlling the operation between the two refrigeration circuits is required. The compressors that can be used here are the same as those used for ordinary air conditioning and refrigeration.
また、混合冷媒の成分となる冷媒は、沸点温度の差が
順次、略所定間隔となるものを選定し、気液分離と熱交
換との各段毎に、略等間隔で順次冷媒を冷却して行き、
最も沸点の低い冷媒を最終的に蒸発させることによっ
て、無駄のない効率的な冷却を行うので、極めて低い温
度が得られる。In addition, as the refrigerant that is a component of the mixed refrigerant, a refrigerant having a difference in boiling point temperature sequentially and at substantially a predetermined interval is selected, and for each stage of gas-liquid separation and heat exchange, the refrigerant is sequentially cooled at approximately equal intervals. Go,
By evaporating the refrigerant having the lowest boiling point finally, efficient cooling without waste is achieved, so that an extremely low temperature is obtained.
さらにまた、最終段である第4カスケード熱交換器か
らの低沸点ガス冷媒を副冷却器で液化した後、その一部
を副冷却器での冷却に利用した後ではあるが、主冷却器
で冷却作用した後の低沸点ガス冷媒と合流させている。
このため、冷凍装置を起動した直後、主冷却器の温度が
十分に下がっていないとき、主冷却器で冷却作用して流
出する低沸点ガス冷媒の温度が異常に高くなっていて
も、これを低下させることができる。従って、各カスケ
ード熱交換器における熱交換が、装置の起動時において
も安定であり、主冷却器における冷却を安定なものにで
きる。Furthermore, after the low-boiling-point gas refrigerant from the fourth cascade heat exchanger, which is the final stage, is liquefied in the sub-cooler, a part of the gas refrigerant is used for cooling in the sub-cooler, but is not used in the main cooler. It joins with the low-boiling gas refrigerant after the cooling action.
For this reason, immediately after the start of the refrigerating apparatus, when the temperature of the main cooler is not sufficiently lowered, even if the temperature of the low-boiling-point gas refrigerant flowing out due to the cooling action of the main cooler is abnormally high, Can be reduced. Therefore, the heat exchange in each cascade heat exchanger is stable even when the apparatus is started, and the cooling in the main cooler can be stabilized.
(実施例) 沸点温度差の異なる6種類の冷媒からなる混合冷媒を
使用して、−150℃の超低温を得るようにした超低温貯
蔵庫用の冷凍装置の実施例について図面を用いて説明す
る。(Embodiment) An embodiment of a refrigeration apparatus for an ultra-low temperature storage which obtains an ultra-low temperature of -150 ° C by using a mixed refrigerant composed of six types of refrigerants having different boiling point temperatures will be described with reference to the drawings.
この冷凍装置に封入される混合冷媒の成分は次のとお
りである。The components of the mixed refrigerant enclosed in the refrigeration apparatus are as follows.
型式 モル比(%) 沸点(℃) R11 25±5 23.82 R12 20±5 − 29.79 R13 15±5 − 81.4 R14 15±5 −127.96 R50 15±5 −161.6 R740 10±5 −185.7 但し、上記沸点は大気圧下におけるものである。Model Molar ratio (%) Boiling point (℃) R11 25 ± 5 23.82 R12 20 ± 5 − 29.79 R13 15 ± 5 −81.4 R14 15 ± 5 −127.96 R50 15 ± 5 −161.6 R740 10 ± 5 −185.7 However, the above boiling point is At atmospheric pressure.
第1図は、この冷凍装置の機器間接続を示すものであ
って、圧縮機1の吐出側は凝縮器2の入口に配管で接続
されており、凝縮器2の出口は第1気液分離器3の入口
に配管接続されている。第1気液分離器3は、比較的多
量の混合冷媒が流れるので、後段のものより大型のもの
を使用している。そして、第1気液分離器3の気相部3a
は、第1カスケード熱交換器4の外管入口に配管接続さ
れ、液相部3bは、途中に減圧手段としての第1細管5を
介して、第1カスケード熱交換器4の内管入口に配管接
続されている。尚、第1カスケード熱交換器4は、2重
管で形成されており、外管を流れる冷媒と内管を流れる
冷媒との間の熱交換を効果的に行うため、外管入口を内
管出口と同じ一端に、外管出口と内管入口と同じ他の一
端にそれぞれ位置させて、内外管中の冷媒の流れが相互
に逆方向になるようにしている。こうして、気液分離と
熱交換との第1段が形成され、主としてR11、R12の液化
及び分離とこれによる熱交換とのために機能する。FIG. 1 shows the connection between the components of the refrigeration system. The discharge side of the compressor 1 is connected to the inlet of the condenser 2 by a pipe, and the outlet of the condenser 2 is connected to the first gas-liquid separator. A pipe is connected to the inlet of the vessel 3. Since the first gas-liquid separator 3 allows a relatively large amount of mixed refrigerant to flow, the first gas-liquid separator 3 is larger than the latter one. And the gas phase part 3a of the first gas-liquid separator 3
Is connected to the outer pipe inlet of the first cascade heat exchanger 4, and the liquid phase part 3 b is connected to the inner pipe inlet of the first cascade heat exchanger 4 via the first thin pipe 5 as depressurizing means. Piping is connected. The first cascade heat exchanger 4 is formed of a double pipe, and the outer pipe inlet is connected to the inner pipe in order to effectively perform heat exchange between the refrigerant flowing through the outer pipe and the refrigerant flowing through the inner pipe. At the same end as the outlet, it is located at the same other end as the outer tube outlet and the inner tube inlet, respectively, so that the flows of the refrigerant in the inner and outer tubes are opposite to each other. In this way, a first stage of gas-liquid separation and heat exchange is formed, which mainly functions for liquefaction and separation of R11 and R12 and thereby heat exchange.
以下、同様にして第2気液分離器6と第2カスケード
熱交換器7、第3気液分離器9と第3カスケード熱交換
器に10、第4気液分離分離器12と第4カスケード熱交換
器13が接続され、第1カスケード熱交換器4の外管出口
は第2気液分離器6の入口に、また第2カスケード熱交
換器7の外管出口は第3気液分離器9の入口に、さらに
第3カスケード熱交換器10の外管出口は第4気液分離器
12の入口にそれぞれ配管接続されて、気液分離と熱交換
との第2〜第4段目が形成される。Hereinafter, similarly, the second gas-liquid separator 6 and the second cascade heat exchanger 7, the third gas-liquid separator 9 and the third cascade heat exchanger 10, and the fourth gas-liquid separator 12 and the fourth cascade. The heat exchanger 13 is connected, the outer pipe outlet of the first cascade heat exchanger 4 is connected to the inlet of the second gas-liquid separator 6, and the outer pipe outlet of the second cascade heat exchanger 7 is connected to the third gas-liquid separator. 9 and the outer tube outlet of the third cascade heat exchanger 10 is a fourth gas-liquid separator
Twelve inlets are connected to respective pipes to form second to fourth stages of gas-liquid separation and heat exchange.
副冷却器15も2重管式熱交換器であって、その外管入
口は第4カスケード熱交換器13の外管出口と配管接続さ
れており、その外管出口に接続された配管は2つに分岐
され、一方は、減圧手段としての第5細管16を介して副
冷却器15の内管入口に配管接続されている。また、分岐
された他の一方は、減圧手段としての第6細管17を介し
て、図示しない超低温貯蔵庫に設けられた主冷却器18の
入口に配管接続されている。The sub-cooler 15 is also a double-pipe heat exchanger, and its outer pipe inlet is connected to the outer pipe outlet of the fourth cascade heat exchanger 13 by piping. One is connected to the inner pipe inlet of the subcooler 15 via a fifth thin pipe 16 as a pressure reducing means. The other branch is connected to the inlet of a main cooler 18 provided in an ultra-low temperature storage (not shown) via a sixth thin tube 17 as a pressure reducing means.
そして、主冷却器18の出口からの配管及び副冷却器15
の内管出口からの配管は合流し、さらに第4細管14から
第4カスケード熱交換器13の内管入口への配管に合流す
る。以下、同様にして第4カスケード熱交換器13の内管
出口は、第3カスケード熱交換器10の内館入口へ、第3
カスケード熱交換器10の内管出口は第2カスケード熱交
換器7の内管入口へ、第2カスケード熱交換器7の内管
出口は第1カスケード熱交換器4の内管入口へそれぞれ
配管接続される。そして、第1カスケード熱交換器4の
内管出口は、圧縮機1の吸入口へ配管接続されている。Then, the piping from the outlet of the main cooler 18 and the sub-cooler 15
The pipes from the inner pipe outlet merge with the pipe from the fourth thin pipe 14 to the inner pipe inlet of the fourth cascade heat exchanger 13. Hereinafter, similarly, the inner pipe outlet of the fourth cascade heat exchanger 13 is connected to the inner building inlet of the third cascade heat exchanger 10 by the third pipe.
The inner pipe outlet of the cascade heat exchanger 10 is connected to the inner pipe inlet of the second cascade heat exchanger 7, and the inner pipe outlet of the second cascade heat exchanger 7 is connected to the inner pipe inlet of the first cascade heat exchanger 4. Is done. The inner pipe outlet of the first cascade heat exchanger 4 is connected to the suction port of the compressor 1 by piping.
定常運転中、圧縮機1の吸入圧は1.75kg/cm2G、吐出
圧は16.9kg/cm2Gであり、ここから吐出される混合冷媒
は約94℃程度の高温ガス状態である。そして、凝縮器2
で25℃の冷却水によって冷却され、約27℃、主としてR1
1の大部分とR12の相当部分とが液化し、他の部分はガス
状態にある気液混合状態になる。そして、第1気液分離
器3でこれらの分離され、分離されたガス冷媒は、第1
カスケード熱交換器4において約−34℃、主としてR12
の大部分とR13の相当部分とが液化し、残りの冷媒はガ
ス状態にある気液混合状態になる。そして、第2気液分
離器6においてこれらが分離され、分離されたガス冷媒
は、第2カスケード熱交換器7においてこれらが約−64
℃、主としてR13の大部分とR14の一部分とが液化し、残
りの冷媒はガス状態にある気液混合状態になる。そし
て、第3気液分離器9においてこれらが分離され、分離
されたガス冷媒は、第3カスケード熱交換器10において
約−89℃、主としてR14の相当部分とR50の一部分とが液
化し、残りの冷媒がガス状態にある気液混合状態にな
る。During the steady operation, the suction pressure of the compressor 1 is 1.75 kg / cm 2 G and the discharge pressure is 16.9 kg / cm 2 G, and the mixed refrigerant discharged therefrom is in a high-temperature gas state of about 94 ° C. And condenser 2
At about 27 ° C, mainly with R1
Most of 1 and a considerable portion of R12 liquefy, and the other portions enter a gas-liquid mixed state in a gaseous state. And the gas refrigerant separated and separated by the first gas-liquid separator 3 is the first gas-liquid separator 3.
About −34 ° C. in the cascade heat exchanger 4, mainly R12
Is liquefied and a substantial portion of R13 is liquefied, and the remaining refrigerant is in a gas-liquid mixed state in a gaseous state. Then, these are separated in the second gas-liquid separator 6, and the separated gas refrigerant is converted to about −64 in the second cascade heat exchanger 7.
° C, mainly most of R13 and part of R14 are liquefied, and the remaining refrigerant is in a gas-liquid mixed state in a gaseous state. These are separated in the third gas-liquid separator 9, and the separated gas refrigerant is liquefied in the third cascade heat exchanger 10 at about −89 ° C., mainly a portion of R14 and a portion of R50 are liquefied. Is in a gas-liquid mixed state where the refrigerant is in a gaseous state.
そして、第4気液分離器12においてこれらが分離さ
れ、分離されたガス冷媒は、第4カスケード熱交換器13
で−109℃、R50の相当部分とR740の一部分とが液化し、
残りの冷媒がガス状態にある気液混合状態になる。These are separated in the fourth gas-liquid separator 12, and the separated gas refrigerant is supplied to the fourth cascade heat exchanger 13
At -109 ° C, a considerable part of R50 and a part of R740 liquefied,
The remaining refrigerant enters a gas-liquid mixed state in a gas state.
こうして残ったR740を主成分とする気液混合冷媒は、
副冷却器15において、その外管出口から出た冷媒のうち
の一部でかつ第5細管16により減圧された冷媒との間で
熱交換することによって約−123℃の完全液化状態にな
り、副冷却器15の外管出口から出た冷媒の残りは第6細
管17で減圧された後、約−155℃で主冷却器18に流入し
て蒸発し、超低温貯蔵庫内をいわゆる−150℃の超低温
に冷却する。The remaining gas-liquid mixed refrigerant mainly composed of R740 is
In the subcooler 15, a part of the refrigerant flowing out of the outer tube outlet and heat exchange with the refrigerant decompressed by the fifth thin tube 16 become a complete liquefied state at about -123 ° C, The remainder of the refrigerant flowing out of the outer tube outlet of the sub-cooler 15 is decompressed in the sixth thin tube 17 and then flows into the main cooler 18 at about -155 ° C and evaporates. Cool to very low temperatures.
ところで、起動時にあっては、これだけの超低温が一
挙に得られるわけではい。冷却器18は周囲環境と略同温
度であることが多いため、主冷却器18から流出するガス
冷媒の温度は、定常運転中の約−148℃といったものよ
り遥かに高いものになる。しかしながら、副冷却器15か
ら流出する約−110℃の液冷媒と合流し、これと混り合
って冷却されて第4カスケード熱交換器14に流入する。
従って、前段での熱交換に悪影響はなく、安定した起動
ができる。By the way, at the time of startup, this extremely low temperature cannot be obtained at once. Since the cooler 18 is often at substantially the same temperature as the surrounding environment, the temperature of the gas refrigerant flowing out of the main cooler 18 will be much higher than about -148 ° C during steady operation. However, it merges with the liquid refrigerant at about −110 ° C. flowing out of the subcooler 15, is mixed therewith and cooled, and flows into the fourth cascade heat exchanger 14.
Therefore, there is no adverse effect on the heat exchange in the preceding stage, and stable start-up can be performed.
以上のとおり、気液分離と熱交換との組合わせを順次
4段に分け、前段で冷却された液冷媒を分離し、減圧し
て温度を下げ、それでもって次段の冷却をするように
し、各段の温度差が略一様でかつ、余り大きくないよう
にしているので、冷却効率を高く維持できるとともに、
圧縮機1も格別大きな圧力比(吐出圧力/吸入圧力)を
発生するものではなく、普通の空調用程度のものを使用
できる。As described above, the combination of gas-liquid separation and heat exchange is sequentially divided into four stages, the liquid refrigerant cooled in the previous stage is separated, the pressure is reduced to lower the temperature, and the next stage is cooled, Since the temperature difference between each stage is substantially uniform and not so large, cooling efficiency can be maintained high,
The compressor 1 does not generate a particularly large pressure ratio (discharge pressure / suction pressure), but may be a compressor for ordinary air conditioning.
混合されている各冷媒は、各段で高沸点のものだけ、
中沸点のものだけ又は低沸点のものだけが液化して気液
分離されるのではなく、高沸点のものも残留し、各段で
順次残留量が減って行くが、最終段にあってもR11、R1
2、R13,R14、R50が僅かに残留する。そして、また低温
を発生する過程での熱ロスを考慮し、高沸点のものほど
成分比を大きくし、低沸点となるに従い成分比を小さく
とっている。Each mixed refrigerant has only a high boiling point in each stage,
Not only those with medium boiling points or those with low boiling points are liquefied and separated into gas and liquid, but those with high boiling points also remain, and the residual amount gradually decreases in each stage. R11, R1
2, R13, R14 and R50 slightly remain. Further, in consideration of heat loss in the process of generating a low temperature, the component ratio is increased as the boiling point increases, and the component ratio is decreased as the boiling point decreases.
以上が好ましい実施例の1つであるが、各構成機器の
大きさに大きな変更、例えば配管中に流量調整弁を設け
る等の付加装置や、各部の機器容量に変動があった場合
は、各冷媒の成分比が変わってくることがある。混合さ
れる冷媒は、沸点温度差が略同じになるように組み合わ
わせられれば、他の冷媒でもよい。Although the above is one of the preferred embodiments, if there is a large change in the size of each component device, for example, an additional device such as providing a flow control valve in the piping, or if the device capacity of each part fluctuates, The component ratio of the refrigerant may change. The refrigerant to be mixed may be another refrigerant as long as the refrigerants are combined so that the boiling point temperature differences are substantially the same.
また、凝縮器における冷却は、冷却水に限るものでは
なく、空気でもよい。温度もまた適宜に決められる。カ
スケード熱交換器も2重管式に限るものではなく、平行
管式や容器中にコイル状に配管したもの等、各種のもの
としてよい。減圧手段もまた細管に限るものではなく、
減圧弁や膨張弁等としてもよい。また、構成機器間の接
続は、気液分離器とカスケード熱交換器とを配管により
接続してユニット化したものを順次接続するようにして
もよい。さらにまた、冷却装置の用途もコールドトラッ
プにお冷却装置その他、超低温を必要とする装置とする
ことができる。Cooling in the condenser is not limited to cooling water, but may be air. The temperature is also determined appropriately. The cascade heat exchanger is not limited to the double tube type, but may be various types such as a parallel tube type or a coiled pipe in a vessel. The decompression means is not limited to the thin tube,
It may be a pressure reducing valve or an expansion valve. Further, the connection between the constituent devices may be configured such that the gas-liquid separator and the cascade heat exchanger are connected by piping and unitized to be sequentially connected. Furthermore, the cooling device can be used as a cold trap, a cooling device, or any other device that requires an extremely low temperature.
(発明の効果) 以上のとおり、この発明によれば、一元方式であるた
め圧縮機を始め構成品が少なくでき、また、二元方式の
ような複雑な制御を必要としない。さらに4段気液分離
方式をとっているため、吐出圧力の低い空調用や冷蔵用
の圧縮機を使用できるので、構成や制御が共に簡素化さ
れ、小型化されたものになり、効率よく−150℃の超低
温が得られ、起動時の安定性もよい冷凍装置が得られ
る。(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, since a single system is used, the number of components including a compressor can be reduced, and complicated control unlike a dual system is not required. Furthermore, since a four-stage gas-liquid separation system is used, a compressor for air conditioning or refrigeration having a low discharge pressure can be used, so that the configuration and control are both simplified, downsized, and efficiently. An ultra-low temperature of 150 ° C can be obtained, and a refrigeration apparatus with good stability at startup can be obtained.
第1図は、この発明の実施例を示す概略回路図である。 1……圧縮機、2……凝縮器、3……第1気液分離器、
4……第1カスケード熱交換器、6……第2気液分離
器、7……第2カスケード熱交換器、9……第3気液分
離器、10……第3カスケード熱交換器、12……第4期液
分離器、13……第4カスケード熱交換器、15……副冷却
器、18……主冷却器。FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing an embodiment of the present invention. 1 ... Compressor, 2 ... Condenser, 3 ... First gas-liquid separator,
4 first cascade heat exchanger, 6 second gas-liquid separator, 7 second cascade heat exchanger, 9 third gas-liquid separator, 10 third cascade heat exchanger, 12: 4th stage liquid separator, 13: 4th cascade heat exchanger, 15: sub-cooler, 18: main cooler.
Claims (1)
差が順次、所定間隔となる複数種類の冷媒からなる混合
冷媒を封入してなり、 この混合冷媒を圧縮する圧縮機と、 この圧縮機で圧縮した混合冷媒を冷却する凝縮器と、 この冷却された混合冷媒を主として高沸点の液冷媒と残
留ガス冷媒とに分離する第1気液分離器と、 この第1気液分離器で分離された残留ガス冷媒を、同様
に分離された後に減圧された高沸点液冷媒との間で熱交
換させる第1カスケード熱交換器と、 前記第1カスケード熱交換器で熱交換された残留ガス冷
媒を、以下、主としてより沸点の高い冷媒から順次、同
様に液冷媒と残留ガス冷媒とに分離する第2、第3及び
第4の気液分離器と、 これら第2、第3及び第4気液分離器で分離された残留
ガス冷媒を、同じく分離された後に減圧された液冷媒と
の間でそれぞれ熱交換させる第2、第3及び第4のカス
ケード熱交換器と、 この第4カスケード熱交換器からの残留低沸点ガス冷媒
を、自身の出口から出た冷媒のうちの一部でかつ減圧さ
れた冷媒との間で熱交換することによって液化する副冷
却器と、 この副冷却器の出口から出た冷媒のうちの残部でかつ減
圧された冷媒を蒸発させる主冷却器とを具備し、 これら主冷却器及び副冷却器で冷却作用をした冷媒を、
順次、逆に前記第4カスケード熱交換器から第1カスケ
ード熱交換器を経由して前記圧縮機へ帰還させるように
構成したことを特徴とする冷凍装置。1. A compressor for compressing a refrigerant mixture comprising a plurality of types of refrigerants having a predetermined difference in boiling point temperature sequentially from a high boiling point to a low boiling point. A condenser that cools the mixed refrigerant compressed by the compressor; a first gas-liquid separator that mainly separates the cooled mixed refrigerant into a high-boiling liquid refrigerant and a residual gas refrigerant; and a first gas-liquid separator. A first cascade heat exchanger for exchanging heat between the residual gas refrigerant separated in step 1 and a high-boiling-point liquid refrigerant decompressed and then decompressed, and a residual heat exchanged in the first cascade heat exchanger. A second, a third and a fourth gas-liquid separator for separating the gaseous refrigerant into a liquid refrigerant and a residual gaseous refrigerant in the same order, starting from the refrigerant having a higher boiling point, 4 Residual gas refrigerant separated by gas-liquid separator Second, third, and fourth cascade heat exchangers for performing heat exchange with the depressurized liquid refrigerant after being separated, and a residual low-boiling gas refrigerant from the fourth cascade heat exchanger. A sub-cooler that liquefies by exchanging heat with a part of the refrigerant that has exited from the outlet and the depressurized refrigerant; and a remaining part of the refrigerant that has exited from the outlet of the sub-cooler and has been depressurized. And a main cooler for evaporating the refrigerant that has been cooled by the main cooler and the sub-cooler.
A refrigeration apparatus characterized in that the refrigeration apparatus is configured to sequentially return to the compressor from the fourth cascade heat exchanger via the first cascade heat exchanger.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP63330615A JP2626912B2 (en) | 1988-12-26 | 1988-12-26 | Refrigeration equipment |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP63330615A JP2626912B2 (en) | 1988-12-26 | 1988-12-26 | Refrigeration equipment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH02176372A JPH02176372A (en) | 1990-07-09 |
JP2626912B2 true JP2626912B2 (en) | 1997-07-02 |
Family
ID=18234641
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP63330615A Expired - Lifetime JP2626912B2 (en) | 1988-12-26 | 1988-12-26 | Refrigeration equipment |
Country Status (1)
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Family Cites Families (2)
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JPS531040A (en) * | 1976-06-24 | 1978-01-07 | Mitsubishi Electric Corp | Optical switch matrix unit |
JPS56156857A (en) * | 1980-05-09 | 1981-12-03 | Canon Inc | Magnification varying device for copying machine |
-
1988
- 1988-12-26 JP JP63330615A patent/JP2626912B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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