JP4066147B2 - 冷凍システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍システムに関し、特に、液冷媒を複数の経路に分岐させるときの均等化を図るための対策に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、−１００℃以下の超低温の寒冷を発生させるための冷凍システムとして、沸点温度が異なる複数種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を冷媒回路内に封入したものは知られている。この冷凍システムの冷媒回路は、例えば複数段の熱交換器、複数の気液分離器、及び複数の減圧手段を備えており、各段の熱交換器においてそれぞれ上記混合冷媒を高い沸点の冷媒から低い沸点の冷媒まで順に凝縮させる。また、各気液分離器では、各熱交換器により凝縮された冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離し、この各気液分離器で分離された液冷媒を減圧手段で減圧させた後に上記熱交換器で蒸発させ、この蒸発熱により上記気液分離器からのガス冷媒を冷却して凝縮する。さらに、最低温度の沸点を有する液冷媒をキャピラリチューブ等の減圧手段で減圧させた後に蒸発させる冷却器が設けられていて、この冷却器での最低沸点の液冷媒の蒸発により−１００℃以下の超低温の寒冷を発生させ、この冷却部の寒冷を冷却対象にブライン等により伝熱するようになっている（例えば特許第２６２６９１２号等参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記最低温度の沸点を有する液冷媒を蒸発させる冷却器が複数設けられていると、その液冷媒を各冷却器に供給するために分岐させる必要があり、その分岐部に、上流側から下流側に向かって複数に分かれた分岐管が用いられる。そして、この分岐管内の冷媒回路を通って冷却器に向かう冷媒は全て液冷媒で構成されているのではなく、一部にガス冷媒を含んだ気液混合状態の冷媒が供給される。
【０００４】
その場合、分岐管やその前後の冷媒回路は略水平に保たれているが、例えば分岐管上流側の配管を継手により他の機器に接続する際に配管が継手の締付け操作に共回りする等して、分岐管において分岐された後の冷媒が流れる下流側の分岐管部間で高さの差が生じていると、その高さの低い側の分岐管部に高い側の分岐管部よりも多量の液冷媒が流れるようになり（逆に低い側の分岐管部に流れるガス冷媒量は高い側の分岐管部よりも少なくなる）、複数の冷却器に至る液冷媒の質量流量が異なってアンバランスになり、その結果、複数の冷却器の冷却能力が差が生じることとなる。
【０００５】
そして、この問題をなくすためには、分岐管部間の高さ調整を精度よく行う必要があり、その手間を要する。
【０００６】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記の如き非共沸混合冷媒を用いる冷凍システムに限らず、液冷媒を分岐部で複数に分岐する冷媒回路を有する一般の冷凍システムにおいて、その分岐部の冷媒回路の構造を工夫することで、分岐部間に流れる液冷媒の質量流量を容易に均等にできるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、分岐部の入口側部分に下り勾配の傾斜をつけ、気液混合で分岐部に流入する冷媒のうちの液冷媒については均等に分岐され易くなるようにした。
【０００８】
具体的には、請求項１の発明では、ガス冷媒を含んだ液冷媒を複数に分岐する分岐部を有する冷媒回路と、上記分岐部の下流端に接続された減圧手段とを備えた冷凍システムにおいて、上記分岐部の冷媒流れ方向直上流側に位置する冷媒回路は、略水平方向に延びた後に少なくとも上記分岐部の入口側流路で冷媒流れ方向の下流側に向かって水平面に対し下方に向かうように所定の傾斜角度で傾斜していることを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によると、液冷媒中にガス冷媒を含んだ気液混合の冷媒は分岐部で複数に分岐された後、分岐部の下流端に接続された減圧手段に流れて減圧される。そのとき、上記分岐部の直上流側の冷媒回路のうち、少なくとも分岐部の入口側流路が冷媒流れ方向の下流側に向かって水平面に対し下方に向かうように所定の傾斜角度で傾斜しているので、気液混合で分岐部に流入する冷媒のうちの液冷媒については、入口側流路の下り勾配の傾斜により該入口側流路の下側（底側）に集められた状態で分岐部に流入し、ガス冷媒が分岐部に入り難くなって、その分、液冷媒が分岐部の各下流側に均等に分岐され易くなる。このことで、分岐後の液冷媒の質量流量を同等にして、例えば減圧手段に接続される冷却器の冷却能力差の低減等を図ることができる。
【００１０】
請求項２の発明では、上記分岐部の入口側流路は上流側部と下流側部とが水平面に投影したときに略９０°をなすように湾曲していることを特徴とする。この場合、例えば入口側流路を形成する冷媒配管が継手による締付け時に共回りしても、入口側流路の下流側部が上流側部の回りに同時に上下するので、分岐部下流側部の高さは互いに同じに保たれ、分岐後の液冷媒の質量流量をさらに確実に同等にして、例えば減圧手段に接続される冷却器の冷却能力差の低減等を図ることができる。
【００１１】
請求項３の発明では、上記分岐部の入口側流路の水平面とのなす傾斜角度は１０〜４５°とする。こうすると、上記効果が有効に発揮されるのに望ましい傾斜角度が得られる。
【００１２】
請求項４の発明では、冷媒は、沸点温度が異なる複数種類の冷媒を混合してなる混合冷媒とする。また、上記冷媒回路は、混合冷媒を高い沸点の冷媒から低い沸点の冷媒まで順に凝縮させる複数段の熱交換器と、この各熱交換器により凝縮された冷媒をガス冷媒及び液冷媒に分離する複数の気液分離器と、上記熱交換器で上記ガス冷媒が冷却されて凝縮するように各気液分離器で分離された液冷媒を減圧して上記熱交換器で蒸発させる複数の減圧手段と、最低温度の沸点を有する液冷媒を蒸発させて、超低温レベルの寒冷を発生させる複数の冷却器とを備えているものとし、分岐部は、上記冷媒回路において最低温度の沸点を有する液冷媒を複数の冷却器に分岐させる部分に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によると、非共沸混合冷媒を用いる冷凍システムにおいて、最低温度の沸点を有する液冷媒を複数の冷却器に均等に供給することができ、超低温レベルの寒冷を発生させる冷却器の冷却能力差を安定して低減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図３は本発明の実施形態１に係る冷凍システムとしての超低温冷凍機Ａを示し、この超低温冷凍機Ａは、冷媒として沸点温度が異なる５種類又は６種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いて−１００℃以下の超低温レベルの寒冷を発生させるものである。
【００１５】
図３において、１は上記混合冷媒が封入された閉サイクルの冷媒回路で、この冷媒回路１は以下に説明する各種の機器を冷媒配管２で接続してなる。すなわち、５はガス冷媒を圧縮する圧縮機で、この圧縮機５の吐出部には、圧縮機５から吐出されたガス冷媒を冷却水通路６の冷却水との熱交換により冷却する水冷コンデンサ７が接続されている。水冷コンデンサ７の吐出部には補助コンデンサ８の１次側が接続され、この補助コンデンサ８において、水冷コンデンサ７からのガス冷媒を圧縮機５に吸入される低温度の２次側の還流冷媒と熱交換して冷却し、混合冷媒のうち沸点温度が最高温度のガス冷媒を凝縮させて液化する。
【００１６】
上記補助コンデンサ８における１次側の吐出部には第１気液分離器９が接続され、この第１気液分離器９で、上記補助コンデンサ８からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第１気液分離器９のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第１熱交換器１０の１次側が、また液冷媒吐出部には、減圧手段としての第１キャピラリチューブ１１を介して同じ第１熱交換器１０の２次側がそれぞれ接続されており、第１気液分離器９で分離された液冷媒を第１キャピラリチューブ１１で減圧させた後に第１熱交換器１０の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が２番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようになっている。
【００１７】
さらに、上記第１熱交換器１０における１次側の吐出部には第２気液分離器１５が接続されており、この第２気液分離器１５において、第１熱交換器１０からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第２気液分離器１５のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第２熱交換器１６の１次側が、また液冷媒吐出部には、減圧手段としての第２キャピラリチューブ１７を介して同じ第２熱交換器１６の２次側がそれぞれ接続されており、第２気液分離器１５で分離された液冷媒を第２キャピラリチューブ１７で減圧させた後に第２熱交換器１６の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が３番目に高い温度のガス冷媒を凝縮液化する。
【００１８】
さらに、上記接続構造と同様にして、上記第２熱交換器１６における１次側の吐出部には、第３気液分離器１９、第３熱交換器２０及び第３キャピラリチューブ２１が、また当該第３熱交換器２０における１次側の吐出部には、第４気液分離器２３、第４熱交換器２４及び第４キャピラリチューブ２５がそれぞれ接続されており（これらの接続構造は上記第１気液分離器９、第１熱交換器１０及び第１キャピラリチューブ１１の接続構造と同じであるので、その詳細な説明は省略する）、第３気液分離器１９で分離された液冷媒を第３キャピラリチューブ２１で減圧させた後に第３熱交換器２０の２次側に供給して蒸発させ、その蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が４番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するとともに、第４気液分離器２３で分離された液冷媒を第４キャピラリチューブ２５で減圧させた後に第４熱交換器２４の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を熱交換により冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が最も低い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようにしている。
【００１９】
そして、上記第４熱交換器２４における１次側の吐出部には熱交換器からなるサブクーラ２７の１次側が接続され、この１次側には第５キャピラリチューブ２８を介して同じサブクーラ２７の２次側に接続されており、第４熱交換器２４で液化された液冷媒の一部を第５キャピラリチューブ２８で減圧させた後にサブクーラ２７の２次側に供給して蒸発させ、その蒸発熱により１次側のガス冷媒を冷却するようにしている。
【００２０】
上記サブクーラ２７の１次側の冷媒吐出部には冷媒配管２が上記第５キャピラリチューブ２８と並列に分岐接続されている。この冷媒配管２は途中の分岐管３７（分岐部）で２つに分岐され、分岐管３７の２つの下流端はそれぞれ第６キャピラリチューブ３０，３０を介して熱交換器からなる冷却器としての２つのブラインクーラ３１，３１の１次側に接続されている。各ブラインクーラ３１の２次側にはそれぞれ閉じ回路のブライン回路３３が接続され、各ブライン回路３３の途中には熱負荷３４が接続されており、第４熱交換器２４で液化された液冷媒の残部を第６キャピラリチューブ３０，３０で減圧させた後にブラインクーラ３１，３１の２次側に供給して蒸発させ、その蒸発熱により１次側のブラインを−１００℃以下の温度の超低温レベルに冷却し、このブラインにより熱負荷３４，３４に同温度レベルの寒冷を付与するようにしている。上記各熱負荷３４は、図示しないが、例えば真空チャンバ内に配置されていて、−１００℃以下の温度の寒冷により真空チャンバ内の気体分子を凍結させて真空度を高めるために用いられる。
【００２１】
また、上記両ブラインクーラ３１，３１における１次側の吐出部は互いに集合されて第４熱交換器２４の２次側とサブクーラ２７の２次側との間に接続されている。さらに、上記サブクーラ２７（及び両ブラインクーラ３１，３１）、第４熱交換器２４、第３熱交換器２０、第２熱交換器１６、第１熱交換器１０及び補助コンデンサ８の各２次側は記載順に直列に接続されており、混合冷媒において蒸発によってガス化した各冷媒を圧縮機５に吸入させるようにしている。
【００２２】
本発明の特徴は、上記分岐管３７への配管構造にある。すなわち、図１及び図２に詳示するように、分岐管３７上流側の冷媒配管２の途中には、取付パネル４１に取付固定した開閉弁からなる仕切弁３８が接続され、この仕切弁３８の出口部には水平方向に沿って配置された冷媒配管２ａの上流端が配管継手３９を介して接続され、この冷媒配管２ａの下流端には水平方向に延びるストレーナ４０が接続されている。尚、上記仕切弁３８は、第６キャピラリチューブ３０等が接続された後の冷凍機Ａの運転状態で開弁保持される。
【００２３】
上記ストレーナ４０の出口部には二股状の分岐管部３７ａ，３７ａを有する分岐管３７が、その入口側に位置しかつ冷媒配管２を構成する入口配管３６を介して接続され、この分岐管３７の各分岐管部３７ａにそれぞれ第６キャピラリチューブ３０が接続されている。
【００２４】
そして、上記分岐管３７の入口側に接続された入口配管３６の内部には入口側流路（図示せず）が形成され、図１に示す如く、この入口配管３６（入口側流路）は、例えば途中で冷媒流れ方向の下流側（図１及び図２で右側）に向かって鉛直下方に向かうように水平面に対し所定の傾斜角度θで傾斜している。この入口配管３６（入口側流路）の傾斜角度θはθ＝１０〜４５°であることが望ましい。
【００２５】
したがって、この実施形態においては、超低温冷凍機Ａの運転時、圧縮機５から吐出された混合冷媒は水冷コンデンサ７により冷却された後に補助コンデンサ８で圧縮機５へ戻る２次側の冷媒により冷却され、混合冷媒のうち沸点温度が最高温度のガス冷媒が凝縮されて液化する。この冷媒は第１気液分離器９においてガス冷媒と液冷媒とに分離され、液冷媒は第１キャピラリチューブ１１で減圧された後に第１熱交換器１０で蒸発し、この蒸発熱により第１気液分離器９からのガス冷媒が冷却され、混合冷媒のうち沸点温度が２番目に高い温度のガス冷媒を凝縮されて液化する。以後、同様にして、第２〜第４熱交換器１６，２０，２４でそれぞれ混合冷媒のうちの沸点温度が高い温度から順にガス冷媒が凝縮されて液化し、この第４熱交換器２４では沸点温度が最も低いガス冷媒が凝縮されて液化する。
【００２６】
上記第４熱交換器２４を経過した冷媒は気液混合状態となり、その一部が第５キャピラリチューブ２８で減圧された後にサブクーラ２７で蒸発し、この蒸発熱により上記第４熱交換器２４からの気液混合状態の冷媒がさらに冷却されて液冷媒の量が増加する。
【００２７】
また、第４熱交換器２４からの気液混合状態の冷媒の残部は分岐管３７で２つに分岐された後にそれぞれ第６キャピラリチューブ３０，３０で減圧され、その減圧後にブラインクーラ３１，３１において蒸発して各ブライン回路３３のブラインに−１００℃以下の寒冷を付与する。この寒冷がブラインを介して熱負荷３４，３４に伝達され、この−１００℃以下の温度の寒冷により例えば真空チャンバ内の気体分子が凍結して真空チャンバ内の真空度が上昇する。
【００２８】
そして、上記第４熱交換器２４からサブクーラ２７を経由した気液混合状態の冷媒が分岐管３７で分岐された後に第６キャピラリチューブ３０，３０に流れるとき、この分岐管３７直上流側の入口配管３６（その内部の入口側流路）が冷媒流れ方向の下流側に向かって鉛直下方に向かうように傾斜しているので、気液混合状態で分岐管３７の各分岐管部３７ａに流入する冷媒のうちの液冷媒については、この入口配管３６の下り勾配の傾斜により入口配管３６内の入口側流路下側に集められた状態で分岐管部３７ａに流入し、ガス冷媒が分岐管３７に入り難くなって、液冷媒が各分岐管部３７ａに均等に分岐され易くなり、２つの第６キャピラリチューブ３０，３０に至る冷媒の質量流量が互いに同じとなる。このことで分岐後の液冷媒の質量流量が同等になり、両ブラインクーラ３１，３１、延いては２つの熱負荷３４，３４の冷却能力差の低減を安定して図ることができる。
【００２９】
また、分岐管３７等の組付時にその分岐管部３７ａ，３７ａ同士の高さを同一に保つための精度のよい調整は不要となり、その手間が要らなくなる。
【００３０】
（実施形態２）
図４〜図６は本発明の実施形態２を示す（尚、図１〜図３と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）。
【００３１】
この実施形態では、分岐管３７の入口配管３６（入口側流路）は上流側部３６ａと下流側部３６ｂとに分けられ、その下流側部３６ｂで上記実施形態１と同様に、冷媒流れ方向の下流側（図４及び図５で右側）に向かって鉛直下方に向かうように水平面に対し所定の傾斜角度θで傾斜しているばかりでなく、さらにその上流側部３６ａと下流側部３６ｂとが略９０°をなすように湾曲している。その他の構成は上記実施形態１と同様である。
【００３２】
この実施形態では、分岐管３７に一体的に接続されている入口配管３６、ストレーナ４０及び冷媒配管２ａを配管継手３９により仕切弁３８に締結するときに、その分岐管３７が配管継手３９による締付けに伴って入口配管３６、ストレーナ４０及び冷媒配管２ａと共回りしたとしても、入口配管３６（入口側流路）の下流側部３６ｂが上流側部３６ａ回りに同時に上下するのみとなり、この下流側部３６ｂに接続されている分岐管３７の両分岐管部３７ａ，３７ａの高さは互いに同じに保たれることになる。このことで、上記実施形態１に比べ、分岐管３７での分岐後の液冷媒の質量流量をさらに確実に同等にでき、両ブラインクーラ３１，３１及び熱負荷３４，３４の冷却能力差の低減を図ることができる。
【００３３】
尚、上記各実施形態では、２つの分岐管部３７ａ，３７ａを有する分岐管３７を用いて、２つのブラインクーラ３１，３１に液冷媒が流れるように分岐しているが、３つ以上の分岐管部を有する分岐管を用いて液冷媒を３つ以上の回路に分岐してもよい。
【００３４】
また、上記各実施形態では、冷媒として沸点温度が異なる５種類又は６種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いているが、沸点温度が異なる５種類又は６種類以外の複数種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いてもよいのは勿論である。また、上記各実施形態は、非共沸混合冷媒を用いた超低温冷凍機Ａの場合であるが、本発明は、沸点温度が１種類の冷媒を用いた冷凍回路を有する一般の冷凍システムにも適用でき、その分岐部の入口側流路を下り勾配で傾斜させればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した如く、請求項１の発明によると、ガス冷媒を含んだ液冷媒を複数に分岐する分岐部を有する冷媒回路と、その分岐部に接続された減圧手段とを備えた冷凍システムに対し、少なくとも上記分岐部の入口側流路を冷媒流れ方向の下流側に向かって水平面に対し下方に向かうように所定の傾斜角度で傾斜させたことにより、気液混合で分岐部に流入する冷媒のうちの液冷媒を入口側流路の下側に集めた状態で分岐部に流入させて、分岐後の液冷媒の質量流量を容易に同等にでき、例えば減圧手段に接続される冷却器の冷却能力差の低減等を図ることができる。
【００３６】
請求項２の発明によると、分岐部の入口側流路を上流側部と下流側部とが水平面に投影したときに略９０°をなすように湾曲させたことにより、例えば入口側流路を形成する配管が継手による締付け時に共回りしても、入口側流路の下流側部を上流側部回りに同時に上下させて下流側部の高さを同じに保つことができ、分岐後の液冷媒の質量流量をさらに確実に同等にして、例えば減圧手段に接続される冷却器の冷却能力差の低減等を図ることができる。
【００３７】
請求項３の発明によると、分岐部の入口側流路の水平面とのなす傾斜角度を１０〜４５°としたことにより、上記効果が有効に発揮されるのに望ましい傾斜角度が得られる。
【００３８】
請求項４の発明によると、沸点温度が異なる複数種類の冷媒を混合してなる混合冷媒を用い、その最低温度の沸点を有する液冷媒を複数の冷却器に分岐させる部分に上記分岐部を設けたことにより、非共沸混合冷媒を用いる冷凍システムにおいて、最低温度の沸点を有する液冷媒を複数の冷却器に均等に供給することができ、冷却器の冷却能力差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１において分岐部分を示す正面図である。
【図２】 実施形態１における分岐部分を示す平面図である。
【図３】 超低温冷凍機の全体構成を示す回路図である。
【図４】 実施形態２を示す図１相当図である。
【図５】 実施形態２を示す図２相当図である。
【図６】 図４のVI方向矢視図である。
【符号の説明】
Ａ 超低温冷凍機
１ 冷媒回路
５ 圧縮機
９ 第１気液分離器
１０ 第１熱交換器
１１ 第１キャピラリチューブ（減圧手段）
１５ 第２気液分離器
１６ 第２熱交換器
１７ 第２キャピラリチューブ（減圧手段）
１９ 第３気液分離器
２０ 第３熱交換器
２１ 第３キャピラリチューブ（減圧手段）
２３ 第４気液分離器
２４ 第４熱交換器
２５ 第４キャピラリチューブ（減圧手段）
２７ サブクーラ
２８ 第５キャピラリチューブ（減圧手段）
３０ 第６キャピラリチューブ（減圧手段）
３１ ブラインクーラ（冷却器）
３４ 熱負荷
３６ 入口配管
３６ａ 上流側部
３６ｂ 下流側部
３７ 分岐管（分岐部）
３７ａ 分岐管部
θ 傾斜角度

Claims (4)

1. ガス冷媒を含んだ液冷媒を複数に分岐する分岐部を有する冷媒回路と、
   上記分岐部の下流端に接続された減圧手段とを備えた冷凍システムにおいて、
   上記分岐部の冷媒流れ方向直上流側に位置する冷媒回路は、略水平方向に延びた後に少なくとも上記分岐部の入口側流路で冷媒流れ方向の下流側に向かって水平面に対し下方に向かうように所定の傾斜角度で傾斜していることを特徴とする冷凍システム。
2. 請求項１の冷凍システムにおいて、
   分岐部の入口側流路は上流側部と下流側部とが水平面に投影したときに略９０°をなすように湾曲していることを特徴とする冷凍システム。
3. 請求項１又は２の冷凍システムにおいて、
   分岐部の入口側流路の水平面とのなす傾斜角度は１０〜４５°であることを特徴とする冷凍システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１つの冷凍システムにおいて、
   冷媒は、沸点温度が異なる複数種類の冷媒を混合してなる混合冷媒であり、
   冷媒回路は、上記混合冷媒を高い沸点の冷媒から低い沸点の冷媒まで順に凝縮させる複数段の熱交換器と、
   上記各熱交換器により凝縮された冷媒をガス冷媒と液冷媒に分離する複数の気液分離器と、
   上記熱交換器で上記ガス冷媒が冷却されて凝縮するように上記各気液分離器で分離された液冷媒を減圧して上記熱交換器で蒸発させる複数の減圧手段と、
   最低温度の沸点を有する液冷媒を蒸発させて、超低温レベルの寒冷を発生させる複数の冷却器とを備えており、
   分岐部は、上記冷媒回路において最低温度の沸点を有する液冷媒を複数の冷却器に分岐させる部分に設けられていることを特徴とする冷凍システム。

Images