JPH01269874A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、物体を極低温にて凍結保存する場合に用いら
れる冷凍装置に関する。

〔従来技術〕

バイオテクノロジーの発展に伴い、微生物、培養細胞、
血液等の各種試料を凍結保存する技術が注目を浴びてお
り、前記試料を収納する低温槽と、該低温槽内部を冷却
する冷凍機とを備え、低温槽内に極低温を実現する冷凍
装置が実用化されている。

さて、従来−船釣に用いられている冷凍機は、圧縮機、
凝縮器及び蒸発器を備え、蒸気圧縮冷凍サイクルに従っ
て動作する蒸気圧縮式冷凍機である。ところが該冷凍機
を、例えばＲ１２，Ｒ２２等の一般冷媒を用いて構成し
た場合、−７０℃程度以下の温度において冷媒蒸気の比
体積が大きくなり、これを圧縮機に吸入せしめることが
困難であり、一方、例えばメタン、エタン、　　Ｒ１３
，Ｒ１４等の飽和蒸気の比体積が小さい低温用冷媒を用
いて前記冷凍機を構成した場合、前述の難点は解消され
るが、冷媒蒸気を常温の空気又は水との接触により凝縮
させる場合、高い凝縮圧力が必要であり、圧縮機及び凝
縮器に高゛強度のものが必要となるという難点がある。

そこで、極低温を実現する場合には、一般冷媒を用いた
高温用冷凍機と、低温用冷媒を用いた低温用冷凍機とを
備え、後者の凝縮器を前者の蒸発器との間の熱交換によ
って冷却せしめる構成とした二元冷凍機が用いられてい
る。

第７図は、二元冷凍機を用いてなる従来の冷凍装置の模
式図であり、３０は高温用冷凍機であり、４０は低温用
冷凍機である。高温用冷凍機３０は、圧縮機３１の吐出
側に油分離器３２を介して凝縮器３３を接続し、また圧
縮機３１の吸入側に蒸発器３４を接続し、更に凝縮器３
３と蒸発器３４とを受液器３５及び膨張弁３６をこの順
に介して接続して閉管路３７を形成し、閉管路３７の内
部にＲ２２等の高温用冷媒を封入してなり、次のように
動作する。閉管路３７中の冷媒は、蒸発器３４において
、周囲への放熱により低圧下にて蒸発し、冷媒蒸気とな
って圧縮機３１に吸入され、該圧縮機３１にて圧縮され
て、高圧蒸気となって吐出される。この高圧蒸気は、圧
縮機３１での圧縮の過程においてこれに混入した油分を
油分離器３２にて分離された後、凝縮器３３に導入され
、該凝縮器３３において、周囲からの吸熱により高圧下
にて凝縮して液化し、受液器３５に一旦貯留された後、
膨張弁３６にて減圧され、低圧液となって蒸発器３４に
導入され、再度低圧下にて蒸発し、以後前述の動作を繰
返す。即ち、前記冷媒は、圧縮機３１の動作により閉管
路３７内を循環せしめられ、凝縮器３３における高圧下
での凝縮及びこれに伴う放熱と、蒸発器３４における低
圧下での蒸発及びこれに伴う吸熱とを順次繰返し、蒸発
器３４の周囲を冷却する。

一方、４低温用冷凍機４０は、圧縮機４１、凝縮器４３
及び蒸発器４４を備え、これらを連結する閉管路４７の
中途に、油分離器４２．受液器４５及び膨張弁４６を、
高温用冷凍機３０の場合と同様に介装して構成され、閉
管路４７内にＲ１３等の低温用冷媒を封入したものであ
り、高温用冷凍機３０と同様の動作をなすものである。

このような構成の高温用冷凍機３０及び低温用冷凍機４
０を用いて構成される二元冷凍機は、前者の蒸発器３４
と後者の凝縮器４３とにて熱交換器６０を構成し、凝縮
器４３からの放熱を蒸発器３４にて吸収する構成とした
ものであり、この二元冷凍機を用いてなり、極低温を実
現する冷凍装置は、高温用冷凍機３０の凝縮器３３を常
温の空気中又は水中に配し、低温用冷凍機４０の蒸発器
４４．を被冷凍物を収納する低温槽５０の内部に配して
構成されたものである。

即ち、高温用冷凍機３０は、熱交換器６０において吸熱
し常温の空気又は水中に放熱する一方、低温用冷凍機４
０は、低温槽５０において吸熱し熱交換器６０において
放熱する。従って、高温用冷媒は比較的高い温度にて蒸
発し、圧縮機３１における吸引不能が生じることはなく
、また低温用冷媒は常温よりも十分に低い温度にて凝縮
し、高い凝縮圧力を必要とせず、無理なく極低温を実現
することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

さて、バイオテクノロジーの分野において各種試料の凍
結保存用に用いられる冷凍装置は、実験室内に設置され
ることが多く、設置場所に空間的な制約があるため、全
体形状の小型化が切望される一方、試料の収納量を可及
的に多くするため、低温槽５０の内容積の大型化が切望
されており、両者を共に実現するため冷凍機の小型化が
重要な課題となっている。ところが、前述した如き構成
の二元冷凍機は、各２基の凝縮器３３，４３、蒸発器３
４゜４４、油分離器３２．４２及び受液器３５．４５、
並びに２台の圧縮機３１．４１を夫々必要とし、小型化
には限度があった。

また、凍結保存ずべき試料は、前述した如く微生物、培
養細胞、血液等、大部分が水からなる物質であり、試料
の生存率を高め長期間に亘る安定的な保存を可能とする
ためには、前記低温槽５０の内部温度を氷の再結晶温度
（−１３０℃）以下に保つことが必要であり、これに用
いる冷凍機には、−１３０℃以下の極低温を実現し得る
ものが必要となるが、二元冷凍機においては、−１００
℃以下の温度において、圧縮機３１．４１における圧縮
比が増大し、成績係数が低下するという難点がある。そ
こで、高温側を２段圧縮方式とし成績係数の向上を図っ
た二元冷凍機、又は３種の異なる冷媒を夫々用いてなる
冷凍機を二元冷凍機の場合と同様に組合せて構成された
三元冷凍機等を用いてなる冷凍装置があるが、これらに
おいては、第７図に示す冷凍装置に比較して、全体形状
の小型化及び低温槽５０の大型化が更に困難となるとい
う問題点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであリ、成績
係数の悪化を招来する。ことなく極低温を実現でき、し
かも全体形状の小型化及び低温槽の大型化が可能な冷凍
装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る冷凍装置は、被冷凍物を収納する低温槽内
部を、スターリングサイクルに従う冷媒の状態変化を利
用するスターリング冷凍機により冷却するものである。

〔作用〕

本発明においては、相変化を伴わない冷媒の状態変化を
利用するスターリング冷凍機を用い、高い成績係数のも
とにて極低温を実現すると共に、冷凍機の小型化を可能
とする。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述する
。第１図は本発明に係る冷凍装置の構成を示す模式図で
ある。図において１は、例えばヘリウム等の極低沸点の
冷媒ガスを、等温圧縮、定容冷却、等温膨脹及び定容加
熱の各過程をこの順に繰返すスターリングサイクルに従
って状態変化させ、等温膨脹過程において被冷却物質か
ら吸収した熱を、等温圧縮過程において外部に放出する
ことにより、被冷却物質を冷却するスターリング冷凍機
である。該スターリング冷凍機１は、圧縮シリンダ２と
膨脹シリンダ３とを、中途に蓄熱器４を介装しであるガ
ス流路５にて連通させ、該ガス流路５の圧縮シリンダ２
側に冷却器６を配設する一方、同じく膨脹シリンダ３側
に熱交換器７を配設した構成となっている。圧縮シリン
ダ２内部の圧縮ピストン８と、膨脹シリンダ３内部の膨
脹ピストン９とは、共通の駆動モータ１０（第３図参照
）により、クランク機構等の図示しない伝動機構を介し
て駆動され、後述する如く、相互間に所定の位相差を有
した状態で、同一周期にて、図における上下方向に各別
に往復動するようになしである。

熱交換器７は、空気導入路１２及び空気導出路１３を介
して低温槽５０に連通された熱交換室１１内部に配設し
てあり、該熱交換室１１には、空気循環用のファン１４
が設けである。而して、低温槽５０内部の空気は、ファ
ン１４の動作により、空気導入路１２を通流して熱交換
室１１内に導入され、熱交換器７との接触により、これ
の内部の冷媒ガスとの間にて熱交換を行った後、空気導
出路１３を通流して低温槽５０に還流するようになって
いる。

第２図はスターリング冷凍機１主要部の実際の配置を示
す略示断面図である０本図に示す如く、前記圧縮シリン
ダ２と膨脹シリンダ３とは、上端を閉塞され、内部に冷
媒ガスを封入してなる一本のシリンダ２０として構成す
ることができ、該シリンダ２０の上部に膨脹ピストン９
を、同じく下部に圧縮ピストン８を、上下方向への摺動
自在に夫々嵌装する一方、シリンダ２０の周囲に、これ
の上部と下部とを連通ずる態様にて、前記ガス流路５を
形成し、該ガス流路５の中途部に蓄熱器４を配設すると
共に、ガス流路５の下部にこれを囲繞する態様にて冷却
水の通流管２１を配して前記冷却器６を構成し、更に前
記シリンダ２０の頭部外側に多数の円板状フィンを有す
る熱交換器７を立設して、スターリング冷凍機１は構成
されている。第３図は、このような構成のスターリング
冷凍機１を用いてなる本発明に係る冷凍装置の縦断面図
である。

スターリング冷凍機１は、前述の如く構成されているか
ら、本図に示す如く、上下に細長い外形を有しており、
駆動モータ１０と共に細幅の基台１５上に構成すること
ができ、従来の冷凍機に比較して平面的な占有面積が大
幅に小さい、従って、冷凍装置全体に対するスターリン
グ冷凍機１の占有面積の割合いは小さく、他の部分、即
ち低温槽５０の平面的な占有面積を、従来の冷凍装置に
比較して増大せしめることが可能であり、低温槽５０の
内容積を大型化することが可能となる。なお、第３図中
の１６は、熱交換室１１の内外を熱的に断絶する断熱材
であり、１７は、熱交換室ｌｌ内に配設された前記ファ
ン１４を駆動するためのモータである。低温槽５０は、
下部及び側部の外側に十分な厚さの断熱材５１を被着し
てあり、上部に開口部を有する箱形をなしており、該開
口部は、共に断熱性を有し開閉自在に装着された内蓋５
２と外蓋５３とにより二重に閉塞されており、低温槽５
０内部−・の試料の出入れは、外蓋５２及び内蓋５１を
開放して行われるようになっている。

第４図〜第６図は、前述した構成のスターリング冷凍機
１の動作説明図であり、以下にこれらの図と第２図とに
基づいて、スターリング冷凍機ｌの動作について簡単に
説明する。

スターリング冷凍機１は、シリンダ２０の内部における
圧縮ピストン８及び膨脹ピストン９の移動により、該シ
リンダ２０内に封入された冷媒ガスを、等温圧縮、定容
冷却、等温膨張及び定容加熱の各過程をこの順に繰返す
スターリングサイクルに従って状態変化させるものであ
る。まず、第２図に示す如く、膨脹ピストン９が、その
上動限界位置にあり、上面をシリンダ２０の上端部に近
接せしめた状態にあるときに、圧縮ピストン８が、図中
に白抜矢符にて示す如く上動し、これの上面と膨脹ピス
トン９の下面との間の空間（圧縮シリンダ２）内におい
て冷媒ガスが圧縮される。また、この圧縮に伴って発生
する熱は、前述の如（構成された冷却器６において、通
流管２１内を流れる冷却水に吸収されるから、この圧縮
は冷却水の温度に略等しい一定温度のもとで行われる。

これが等温圧縮過程である。

この等温圧縮過程がある程度進行し、圧縮ピストン８が
所定位置にまで達した後、第４図中に白抜矢符にて示す
如（、膨脹ピストン９が下動を開始し、この下動に伴っ
て、圧縮シリンダ２の容積は減少し、膨脹ピストン９の
上面とシリンダ２０の上面との間の空間（膨脹シリンダ
３）の容積が増大するから、圧縮シリンダ２内の冷媒ガ
スは、−定の容積に保たれた状態で、ガス流路５を通流
して膨脹シリンダ３内に導入される。この際、冷媒ガス
は、ガス流路５の中途に配設された蓄熱器４に熱を奪わ
れて低温となり、蓄熱器４はこの熱を蓄える。これが定
容冷却過程である。

膨脹ピストン９が所定位置にまで下動した後、第５図に
白抜矢符にて示す如く、該膨脹ピストン９と共に圧縮ピ
ストン８も下動を開始する。これにより、膨脹シリンダ
３の容積は増加し、これに導入された冷媒ガスは膨脹す
る。この膨脹は、シリンダ２０の頭部に立設された熱交
換器７を介して、熱交換室１１に導入された空気の熱を
吸収しつつ等温状態のもとで行われる。これが等温膨張
過程である。

両ピストン８．９の下動終了後、第６図に白抜矢符にて
示す如（、膨脹ピストン９が先に上動を開始する。この
上動に伴って、膨脹シリンダ３の容積は減少し、圧縮シ
リンダ２の容積が増大するから、膨張シリンダ３内部の
膨張後の冷媒ガスは、定容冷却過程の場合とは逆に、一
定の容積に保たれた状態で、ガス流路５を通流して圧縮
シリンダ２内に導入される。この際、冷媒ガスは、ガス
流路５の中途に配設された蓄熱器４を通過するときに、
該蓄熱器４に定容冷却過程において蓄熱された熱により
加熱され、前記冷却水の温度に略等しい温度となる。こ
れが定容加熱過程である。

スターリング冷凍機１は以上の動作を繰返し、ファン１
４の動作により熱交換室１１内を循環する空気が保有す
る熱を、熱交換器７を介して、等温膨張過程において吸
収し、等温圧縮過程において冷却器６に放出して、低温
槽５０内の温度を、極低温に至るまで逐次低下させる。

このように、スターリング冷凍機１において生じる冷媒
の状態変化は相変化を伴うものではなく、スターリング
冷凍機１を用いてなる本発明に係る冷凍装置においては
、高い成績係数のもとて極低温を得ることができる。

なお本実施例においては、１つのシリンダ２０の上下を
膨脹シリンダ３及び圧縮シリンダ２とした一体形のスタ
ーリング冷凍機ｌを用いてなる冷凍装置について述べた
が、本発明に係る冷凍装置は、圧縮シリンダ２と膨脹シ
リンダ３とを各別に設け、両者をガス流路５にて連通せ
しめてなる分離形のスターリング冷凍機１を用いて構成
してもよく、この場合、膨脹シリンダ３及びこれに付随
する熱交換器７を、低温槽５０内部に配設することがで
き、空気循環用ファン１４及び熱交換室１１を省略する
ことが可能である。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明に係る冷凍装置においては、低
温槽内部を冷却する冷凍機としてスターリング冷凍機を
用いているから、冷凍機の設置に要する面積が小さく、
従来の冷凍装置に比較して、同一の外形寸法のもとで低
温槽の内容積を大型化することができると共に、高い成
績係数のもとにて極低温を実現できる等、本発明は優れ
た効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る冷凍装置の構成を示す模式図、第
２図はスターリング冷凍機の主要部の実際の配置を示す
略示断面図、第３図は本発明に係る冷凍装置の縦断面図
、第４図〜第６図はスターリング冷凍機の動作説明図、
第７図は従来の冷凍装置の構成を示す模式図である。 １・・・スターリング冷凍機　　２・・・圧縮シリンダ
３・・・膨脂シリンダ　　４・・・蓄熱器　　６・・・
冷却器７・・・熱交換器　　５０・・・低温槽なお、図
中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 代理人　　大　　岩　　　増　　　雄 ７・・・熱交換器 ５０・・・低　　温　　橿 簗　　１　　図 簗２図 筆　　３　　図 第　　　４　　　図　　　　　　　　　　　　　　簗　
　　５　　　図簗　　６　　図 第　　７　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被冷凍物を収納する低温槽と、該低温槽内部を冷却
   する冷凍機とを備えてなる冷凍装置において、 前記冷凍機は、スターリングサイクルに従う冷媒の状態
   変化を利用するスターリング冷凍機であることを特徴と
   する冷凍装置。