JP2814186B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷却装置に係り、特に
超低温冷凍機を使って被冷却体の温度を瞬時に昇温、再
冷却するのに好適な冷却装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、−１００゜Ｃ以下の低温を得るた
めの超低温冷凍機として、特開平２−１７６３７１号公
報等に開示の如く、一元冷凍サイクルに、沸点の異なる
複数種類の冷媒が混合されてなる多成分混合冷媒を封入
した構造のものが提案されている。

【０００３】また、このような超低温冷凍機で超低温貯
蔵庫等の被冷却体を冷却する場合、最終段のキャピラリ
チューブを出た低温冷媒を配管で被冷却体まで移送する
直接冷却方式と、ブラインを２次冷媒として使用する間
接冷却方式がある。

【０００４】そして、これらの冷却方式において、被冷
却体を効果的に昇温する方法として、圧縮機から吐出さ
れた高温の混合冷媒を熱交換器を通さずに被冷却体への
冷媒移送管路にバイパスさせる方法があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のバイパス方法によれば、昇温初期に高沸点冷媒が被
冷却体で凝縮されて圧縮機に戻されるため、圧縮機で液
圧縮が行われ、急激な圧力上昇を起こし、圧縮機の損傷
を招くおそれがあった。そして、これを避けるべく、前
記高温の混合冷媒の循環量を減少させると、被冷却体の
昇温に時間を要するという問題があった。

【０００６】そこで、本発明は上記問題点に鑑み、液圧
縮による急激な圧力上昇を有効に防止して、被冷却体を
短時間で効率よく昇温、再冷却できる冷却装置を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の技術的手段は、沸点の異なる複数種類の冷媒からなる
混合冷媒を圧縮機で圧縮し、圧縮機から吐出された混合
冷媒を凝縮器で冷却し、凝縮器で冷却された混合冷媒を
液冷媒とガス冷媒に気液分離器で分離し、分離された液
冷媒は膨張手段で減圧して熱交換器で前記気液分離器で
分離されたガス冷媒を冷却すると共に圧縮機側に戻さ
れ、順次、複数段備えられた気液分離器、膨張手段、熱
交換器により、気液分離器で分離されたガス冷媒を冷却
して気液分離および冷却を繰り返してより高沸点の冷媒
を圧縮機側に戻すと共に低沸点の冷媒を抽出し、最終の
膨張手段によって気液混相状態となった低沸点の冷媒を
蒸発器に案内し、蒸発器で低沸点の冷媒を蒸発させて被
冷却体の冷却を行った後、熱交換器を経由して圧縮機に
戻す冷却装置において、前記圧縮機の吐出側から凝縮器
に至る冷媒供給管路途中から分岐され、かつ前記最終の
膨張手段から蒸発器の入口側に至る冷媒供給管路に接続
されるバイパス供給管と、蒸発器の出口側から熱交換器
に至る冷媒戻り管路途中から分岐され、かつ圧縮機の吸
入側に接続された冷媒戻り管路に接続されるバイパス戻
り管とが設けられ、前記バイパス供給管およびバイパス
戻り管にその管路を開閉自在に遮断する開閉弁がそれぞ
れ備えられると共にバイパス戻り管途中に液化した冷媒
を一時的に貯留する貯留タンクが接続され、前記バイパ
ス供給管の蒸発器入口側接続位置と最終段の熱交換器と
の間で冷媒供給管路を開閉自在に遮断する開閉弁が備え
られると共に、前記バイパス戻り管の蒸発器出口側分岐
位置と最終段の熱交換器との間で冷媒戻り管路を開閉自
在に遮断する開閉弁が備えられてなる点にある。

【０００８】また、前記被冷却体の温度を検出する温度
センサと、該温度センサからの検出信号により前記各開
閉弁を開閉制御する制御部とを備える構造としてもよ
い。

【０００９】

【作用】本発明によれば、通常の冷却運転時には、バイ
パス供給管およびバイパス戻り管に備えられた各開閉弁
は閉鎖されて各管路を遮断状態としており、冷媒供給管
路および冷媒戻り管路に備えられた各開閉弁は開放され
て、これらの冷媒供給管路および冷媒戻り管路を通じて
従来同様の冷凍サイクルにより所望の冷却機能が発揮さ
れる。

【００１０】そして、被冷却体の温度を上昇させる昇温
運転時には、バイパス供給管およびバイパス戻り管に備
えられた各開閉弁が開放されると共に、冷媒供給管路お
よび冷媒戻り管路に備えられた各開閉弁が閉鎖された状
態で冷却装置が運転される。

【００１１】この昇温運転時にあっては、圧縮機から吐
出された高温の混合冷媒は一部分がバイパス供給管側に
流れ、残りの混合冷媒が冷媒供給管路側に流れる。

【００１２】従って、圧縮機から吐出された高温の混合
冷媒がバイパス供給管を通じて直接、蒸発器に案内され
るため、被冷却体が短時間で昇温する。また、この昇温
初期に凝縮する高沸点冷媒は、バイパス戻り管途中に設
けられた貯留タンクに一時的に貯留された後、圧縮機に
戻される方式であるため、圧縮機での液圧縮が有効に防
止でき、ここに、液圧縮による急激な圧力上昇を抑える
ことができるため、高温の混合冷媒の量を増加させるこ
とにより昇温時間の短縮化が図れる。

【００１３】一方、この昇温運転時においても、残りの
混合冷媒は冷媒供給管路側を流れるため、冷却運転時の
冷凍サイクルを形成することができ、ここに、予備冷却
機能が発揮できる。従って、昇温運転終了後に冷却運転
に切り換えた際、被冷却体を短時間で容易に所望の冷却
温度に戻すことができる。

【００１４】また、被冷却体の温度を検出する温度セン
サと、該温度センサからの検出信号により前記各開閉弁
を開閉制御する制御部とを備えておけば、温度センサか
らの検出信号に応じて各開閉弁がそれぞれ開閉制御さ
れ、被冷却体の温度を所望の温度に効率よく制御でき
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の第１実施例を図面に基づいて
説明すると、図１および図２は冷却装置１の回路図を示
し、冷却装置１は混合冷媒を圧縮する圧縮機２と、圧縮
機２から吐出された高圧、高温の混合冷媒を冷却して液
化させるための凝縮器３と、液化された混合冷媒を順
次、液冷媒とガス冷媒とに分離する第１ないし第４気液
分離器４、５、６、７と、液冷媒を減圧するキャピラリ
チューブ等からなる第１ないし第５膨張手段８、９、１
０、１１、１２と、各膨張手段８、９、１０、１１によ
って減圧され気液混相状態となった冷媒と前記ガス冷媒
を熱交換させるカスケード熱交換器等からなる第１ない
し第４熱交換器１３、１４、１５、１６と、被冷却体１
７と熱交換する蒸発器１８とが備えられ、これらが冷媒
供給管路１９と冷媒戻り管路２０により適宜配管接続さ
れ、冷凍サイクルの循環経路が構成されている。

【００１６】そして、この冷凍サイクル内に沸点の異な
る複数種類の冷媒からなる混合冷媒が封入されている。

【００１７】また、圧縮機２の吐出側から凝縮器３に至
る冷媒供給管路１９途中から分岐するバイパス供給管２
１が設けられており、バイパス供給管２１の他端側は最
終の第５膨張手段１２から蒸発器１８の入口側に至る冷
媒供給管路１９に接続されている。そして、バイパス供
給管２１にはその管路を開閉自在に遮断する電磁弁等か
らなる第１開閉弁２２が備えられると共に、第６膨張手
段２３が備えられている。

【００１８】さらに、蒸発器１８の出口側から第４熱交
換器１６に至る冷媒戻り管路２０途中から分岐するバイ
パス戻り管２４が設けられており、バイパス戻り管２４
の他端側は圧縮機２の吸入側に接続された冷媒戻り管路
２０に接続されている。そして、バイパス戻り管２４に
はその管路を開閉自在に遮断する電磁弁等からなる第２
開閉弁２５が備えられている。また、バイパス戻り管２
４の途中には、液化した冷媒を一時的に貯留するための
貯留タンク２６が接続されると共に、その下流側に液化
した高沸点冷媒を気化させるための第７膨張手段２７が
接続されている。

【００１９】さらに、バイパス供給管２１の蒸発器１８
入口側接続位置と第５膨張手段１２との間で冷媒供給管
路１９を開閉自在に遮断する電磁弁等からなる第３開閉
弁２８が備えられると共に、バイパス戻り管２４の蒸発
器１８出口側分岐位置と第４熱交換器１６との間で冷媒
戻り管路２０を開閉自在に遮断する電磁弁等からなる第
４開閉弁２９が備えられている。

【００２０】また、被冷却体１７には温度検出用の温度
センサ３０が備えられると共に、該温度センサ３０から
の検出信号に応じて前記各開閉弁２２、２５、２８、２
９を開閉制御する制御部３１が備えられている。

【００２１】本発明の第１実施例は以上のように構成さ
れており、被冷却体１７の冷却運転時には、図１におい
て、第１および第２開閉弁２２、２５は閉じられて、バ
イパス供給管２１およびバイパス戻り管２４はそれぞれ
その管路が遮断状態とされ、第３および第４開閉弁２
８、２９は開放されて、冷媒供給管路１９および冷媒戻
り管路２０はそれぞれ開放状態とされている。

【００２２】そして、この状態で冷却装置１が運転され
ると、圧縮機２から吐出された高温、高圧の混合ガス冷
媒は凝縮器３で水または空気によって冷却され、一部が
凝縮されて気液混相の冷媒となり第１気液分離器４に送
り込まれる。ここで、気液混相の冷媒はガス冷媒と液冷
媒とに分離されて、液冷媒は第１膨張手段８で減圧膨張
されて気液混相の冷媒となり、圧縮機２に戻る冷媒戻り
管路２０の低圧の戻り冷媒と合流する。

【００２３】一方、ガス冷媒は第１熱交換器１３に送り
込まれ、そこで冷媒戻り管路２０の上記戻り冷媒との熱
交換により冷却されて、一部が凝縮液化して気液混相の
冷媒となり、第２気液分離器５に送り込まれる。

【００２４】第２気液分離器５、第２膨張手段９、およ
び第２熱交換器１４や、第３気液分離器６、第３膨張手
段１０、および第３熱交換器１５、さらに、第４気液分
離器７、第４膨張手段１１、および第４熱交換器１６に
おいても上記と同様な作用が順次繰り返される。

【００２５】以上のようにして、混合冷媒のうち沸点の
高い成分の冷媒から順に、冷媒戻り管路２０を通じて圧
縮機２側に戻され、最も沸点の低い低沸点の冷媒は第４
熱交換器１６によって凝縮され、その凝縮された液冷媒
は第５膨張手段１２に送り込まれる。

【００２６】そして、その液冷媒は第５膨張手段１２で
減圧膨張されて気液混相状態となり、蒸発器１８に送り
込まれる。蒸発器１８に送り込まれた冷媒は、被冷却体
１７から熱を吸収して蒸発し、ここに被冷却体１７を超
低温に冷却する。

【００２７】また、被冷却体１７を冷却し終えた低圧、
低温のガス冷媒は蒸発器１８から冷媒戻り管路２０に流
出し、第４熱交換器１６、第３熱交換器１５、第２熱交
換器１４、第１熱交換器１３を順次経由する間に自身の
温度を次第に上昇させ、最終的に常温の低圧ガスとなっ
て圧縮機２に戻る。

【００２８】次に、被冷却体１７の温度を上昇させる昇
温運転時には、図２において、第１および第２開閉弁２
２、２５は開放されて、バイパス供給管２１およびバイ
パス戻り管２４はそれぞれその管路が開放状態とされ、
第３および第４開閉弁２８、２９は閉じられて、冷媒供
給管路１９および冷媒戻り管路２０はそれぞれ遮断状態
とされる。

【００２９】そして、この状態で冷却装置１が運転され
ると、圧縮機２から吐出された高温、高圧の混合ガス冷
媒は一部分がバイパス供給管２１側に流れ、バイパス供
給管２１の第６膨張手段２３を通過する間に高温のまま
で低圧の冷媒戻り管路２０の圧力まで減圧され、蒸発器
１８に送り込まれる。ここに、圧縮機２から吐出された
高温の混合ガス冷媒がバイパス供給管２１を通じて直
接、蒸発器１８に案内されるため、低温の被冷却体１７
を短時間で昇温させることができる。

【００３０】また、この昇温初期に蒸発器１８に案内さ
れた気液混合ガスが多量に凝縮して液化するが、これら
はバイパス戻り管２４途中に設けられた貯留タンク２６
に一時的に貯留される。そして、第７膨張手段２７を通
過する間にガス化して圧縮機２に戻される。従って、圧
縮機２での液圧縮が有効に防止でき、ここに、液圧縮に
よる急激な圧力上昇を抑えることができるため、高温の
混合冷媒の供給量を増加させることにより被冷却体１７
の昇温時間の短縮化を図ることができる。

【００３１】一方、この昇温運転時において、バイパス
供給管２１側を通らなかった多量の混合ガス冷媒は上記
同様、冷媒供給管路１９側を流れるため、冷却運転時の
冷凍サイクルを形成することができる。この際、第３お
よび第４開閉弁２８、２９が閉じられているため、各気
液分離器４、５、６、７で分離された液冷媒が各膨張手
段８、９、１０、１１を通過し、各熱交換器１３、１
４、１５、１６で蒸発しながら各熱交換器１３、１４、
１５、１６を冷却し、圧縮機２に戻る。ここに、熱交換
器１３、１４、１５、１６の予備冷却機能が発揮でき
る。

【００３２】従って、被冷却体１７を昇温すると共に各
熱交換器１３、１４、１５、１６を冷却することができ
るため、再度冷却運転する場合、第１および第２開閉弁
２２、２５を閉じ、第３および第４開閉弁２８、２９を
開放することにより、被冷却体１７を短時間で常温から
超低温に再冷却することができる。例えば、１〜２分で
−１２０゜Ｃ以下に再冷却が可能となる。

【００３３】さらに、各開閉弁２２、２５、２８、２９
をすべて閉じた状態で冷却装置１を運転すれば、被冷却
体１７を冷却することなく各熱交換器１３、１４、１
５、１６内部を冷却できるため、被冷却体１７は常温の
ままで作業を行った後、即座に被冷却体１７を冷却した
い場合、第３および第４開閉弁２８、２９を開放するこ
とにより、瞬時に−１２０゜Ｃ以下の超低温に急速冷却
できる利点がある。

【００３４】以上のように、各開閉弁２２、２５、２
８、２９の開閉によって、被冷却体１７の昇温、冷却が
短時間で行えるため、被冷却体１７の温度を所望となる
ように制御部３１に設定しておけば、温度センサ３０か
らの検出信号に応じて各開閉弁２２、２５、２８、２９
がそれぞれ開閉制御され、被冷却体１７の温度を所望の
温度に効率よく制御できる。

【００３５】図３は第２実施例を示しており、第１実施
例における貯留タンク２６として小形の気液分離器３３
を使用し、ガス冷媒は第７膨張手段２７を通過させず
に、ガス案内管３４を通じて低圧の冷媒戻り管路２０側
に戻し、液冷媒は第７膨張手段２７を通過させ、ガス化
させて冷媒戻り管路２０に戻す方式とされている。

【００３６】従って、この第２実施例によれば、被冷却
体１７で液化しなかった低沸点冷媒はすぐに低圧の冷媒
戻り管路２０側に戻されるため、昇温運転終了後、再冷
却を行う場合の冷媒循環量が有効に確保でき、再冷却時
間がさらに短縮できる利点がある。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明の冷却装置によれ
ば、圧縮機の吐出側から凝縮器に至る冷媒供給管路途中
から分岐され、かつ最終の膨張手段から蒸発器の入口側
に至る冷媒供給管路に接続されるバイパス供給管と、蒸
発器の出口側から熱交換器に至る冷媒戻り管路途中から
分岐され、かつ圧縮機の吸入側に接続された冷媒戻り管
路に接続されるバイパス戻り管とが設けられ、前記バイ
パス供給管およびバイパス戻り管にその管路を開閉自在
に遮断する開閉弁がそれぞれ備えられると共にバイパス
戻り管途中に液化した冷媒を一時的に貯留する貯留タン
クが接続され、前記バイパス供給管の蒸発器入口側接続
位置と最終段の熱交換器との間で冷媒供給管路を開閉自
在に遮断する開閉弁が備えられると共に、前記バイパス
戻り管の蒸発器出口側分岐位置と最終段の熱交換器との
間で冷媒戻り管路を開閉自在に遮断する開閉弁が備えら
れてなるものであり、圧縮機の液圧縮による急激な圧力
上昇を有効に防止できると共に、被冷却体を短時間で効
率よく昇温、再冷却できるという利点がある。

【００３８】また、被冷却体の温度を検出する温度セン
サと、該温度センサからの検出信号により前記各開閉弁
を開閉制御する制御部とを備えた構成とすれば、温度セ
ンサからの検出信号に応じて各開閉弁がそれぞれ開閉制
御され、被冷却体の温度を所望の温度に効率よく制御で
きるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる冷却装置を示す回
路図である。

【図２】本発明の第１実施例にかかる冷却装置を示す回
路図である。

【図３】本発明の第２実施例にかかる冷却装置を示す回
路図である。

【符号の説明】

１ 冷却装置 ２ 圧縮機 ３ 凝縮器 ４ 第１気液分離器 ５ 第２気液分離器 ６ 第３気液分離器 ７ 第４気液分離器 ８ 第１膨張手段 ９ 第２膨張手段 １０ 第３膨張手段 １１ 第４膨張手段 １２ 第５膨張手段 １３ 第１熱交換器 １４ 第２熱交換器 １５ 第３熱交換器 １６ 第４熱交換器 １７ 被冷却体 １８ 蒸発器 １９ 冷媒供給管路 ２０ 冷媒戻り管路 ２１ バイパス供給管 ２２ 第１開閉弁 ２３ 第６膨張手段 ２４ バイパス戻り管 ２５ 第２開閉弁 ２６ 貯留タンク ２７ 第７膨張手段 ２８ 第３開閉弁 ２９ 第４開閉弁 ３０ 温度センサ ３１ 制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 昌彦 兵庫県西宮市田近野町６番107号 新明 和工業株式会社開発技術本部内 (72)発明者 有吉 寛 兵庫県西宮市田近野町６番107号 新明 和工業株式会社開発技術本部内 (56)参考文献 特開 平３−282160（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F25B 7/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 沸点の異なる複数種類の冷媒からなる混
   合冷媒を圧縮機で圧縮し、圧縮機から吐出された混合冷
   媒を凝縮器で冷却し、凝縮器で冷却された混合冷媒を液
   冷媒とガス冷媒に気液分離器で分離し、分離された液冷
   媒は膨張手段で減圧して熱交換器で前記気液分離器で分
   離されたガス冷媒を冷却すると共に圧縮機側に戻され、
   順次、複数段備えられた気液分離器、膨張手段、熱交換
   器により、気液分離器で分離されたガス冷媒を冷却して
   気液分離および冷却を繰り返してより高沸点の冷媒を圧
   縮機側に戻すと共に低沸点の冷媒を抽出し、最終の膨張
   手段によって気液混相状態となった低沸点の冷媒を蒸発
   器に案内し、蒸発器で低沸点の冷媒を蒸発させて被冷却
   体の冷却を行った後、熱交換器を経由して圧縮機に戻す
   冷却装置において、 前記圧縮機の吐出側から凝縮器に至る冷媒供給管路途中
   から分岐され、かつ前記最終の膨張手段から蒸発器の入
   口側に至る冷媒供給管路に接続されるバイパス供給管
   と、蒸発器の出口側から熱交換器に至る冷媒戻り管路途
   中から分岐され、かつ圧縮機の吸入側に接続された冷媒
   戻り管路に接続されるバイパス戻り管とが設けられ、前
   記バイパス供給管およびバイパス戻り管にその管路を開
   閉自在に遮断する開閉弁がそれぞれ備えられると共にバ
   イパス戻り管途中に液化した冷媒を一時的に貯留する貯
   留タンクが接続され、前記バイパス供給管の蒸発器入口
   側接続位置と最終段の熱交換器との間で冷媒供給管路を
   開閉自在に遮断する開閉弁が備えられると共に、前記バ
   イパス戻り管の蒸発器出口側分岐位置と最終段の熱交換
   器との間で冷媒戻り管路を開閉自在に遮断する開閉弁が
   備えられてなることを特徴とする冷却装置。
2. 【請求項２】 前記被冷却体の温度を検出する温度セン
   サと、該温度センサからの検出信号により前記各開閉弁
   を開閉制御する制御部とが備えられてなることを特徴と
   する請求項１記載の冷却装置。