JPH01273961A - 冷凍サイクル装置 - 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 本発明は家庭用、業務用などの冷凍冷蔵庫、冷凍庫等に
利用されている圧縮式の冷凍サイクル装置に関するもの
である。

従来の技術 非共沸混合冷媒を用い、それをサイクル内で、低沸点成
分に富む冷媒と高沸点成分に富む冷媒とに分離し、複数
の蒸発器にそれぞれ導き、兄なる温度で冷却を可能とす
る冷凍サイクルについては、第２図に示すように、分離
器として気液分離器を用いる方法が多く採用されていた
（例えば特公昭５６−４５０６２号公報）。第２図にお
いて圧縮機２１で圧縮された非共沸混合冷媒は、凝縮器
２２で放熱した後に気液分離器２３に入り、同部で低沸
点成分に富んだ気相部分と、高沸点成分に富んだ液相部
分とに分離される。その後気相部分は冶留器２４に導入
され、気液分離器２３で分岐され供給される液相部分と
、凝縮用蒸発器２５で熱交換し冷却凝縮する。一方その
とき高沸点成分に冨んだ液相は同部で逆に加熱され、気
相となフて圧縮機に導かれる。このとき、気液分離器２
３から分岐された残りの高沸点成分に富んだ液相部分は
、絞り部を通過した後第二冷却用蒸発器２６に導かれ、
ここで蒸発して気相となり圧縮機２１に戻る。また、凝
縮用蒸発器２５で凝縮された低沸点成分に富んだ液相部
分は、絞り部を通過した後第二冷却用蒸発器２７に導か
れ、ここで蒸発して気相となり圧縮機２１に戻る。

よって、この様なサイクルにおいては、高沸点成分に富
んだ冷媒が第一冷却用蒸発器２６で、低沸点成分に富ん
だ冷媒が第二冷却用蒸発器２７で、それぞれほぼ同じ圧
力の下に蒸発するため、二つの蒸発器の間に温度差を生
じさせることができるというものである。

また、家庭用等の比較的小型の冷凍冷蔵庫の付加機能と
して、特に魚肉類を冷凍するときに、それらの鮮度を保
持するための急速冷凍機能が注目されている。しかしそ
れを達成するために、冷凍サイクル装置としては従来の
ままであり、急速冷凍の時だけ、サイクルの冷凍機能を
、例えば急凍室などの特定場所に集中するように制御す
るという方法が一般的であった。

発明が解決しようとする課題 この様な従来の冷凍サイクル装置においては、二つの冷
却用蒸発器間で、期待していたほどの温度差が取れない
と言うことが最大の課題であった。

例えば、通常サイクルに用いる冷媒を高沸点系とし、よ
り低温を第二冷却用蒸発器で得るために、通常用いる冷
媒より低沸点系の冷媒を混入して非共沸の混合冷媒とし
て用いた場合であっても、若干第二冷却用蒸発器の温度
が低下するのみであり、混入した低沸点冷媒単独の物性
から期待される蒸発温度よりもかなり高い値となってし
まう。この原因はひとえに気液分離器での分離ではその
分離性能に理論的な限界があるためであった。それは、
分溜性能の指標として分離段数と言うものがあるが、こ
の種の気液分離器でのその値は１段でしかあり得なかっ
たからである。そのために一応ある程度は分離して、高
沸点成分に富んだ冷媒と、低沸点成分に富んだ冷媒とに
なるのではあるが、ただ富むということだけであって、
各々の単一成分の状態とはほど遠いものであった。

また、家庭用等の比較的小型の冷凍冷蔵庫における急速
冷凍の機能は、まだ十分なものになっていない。急速冷
凍をするためには冷凍能力と低温化という相反する機能
が同時に要求されるのにも拘らず、従来の単一冷媒を用
いた冷凍サイクル装置では、低温化を達成しようとすれ
ばサイクルの高低圧比が大きくなり、冷媒循環量が減少
して能力が低下してしまい、かといって能力を大きくし
ようとすると低温化が不可能となってしまうという課題
が残されていた。

４厘を解決するための手段 本発明はと記課題を解決するために、非共沸混合冷媒を
用いて、圧縮機、凝縮器、精留分離器を順次接続し、前
記精留分離器の底部出口から高沸点冷媒通路を、前記精
留分離器の頂部出口から低沸点冷媒通路をそれぞれ並列
に設け、前記高沸点冷媒通路は、第１絞り装置および高
温用蒸発器を介して前記圧縮機に接続し、前記低沸点冷
媒通路は、第２絞り装置および低温用蒸発器を介して前
記圧縮機に接続するとともに、前記両通路問を前記第１
、第２絞り装置より上流側で開閉弁を介して接続して冷
凍サイクル装置を構成するか、または、非共沸混合冷媒
を用いて、圧縮機、凝縮器、精留分離器を順次接続し、
前記精留分離器の底部出口から高沸点冷媒通路を、前記
精留分離器の頂部出口から低沸点冷媒通路をそれぞれ並
列に設け、前記高沸点冷媒通路は、第１絞り装置および
高温用蒸発器を介して前記圧縮機に接続し、前記低沸点
冷媒通路は、第２絞り装置および低温用蒸発器を介して
前記圧縮機に接続するとともに、前記低沸点冷媒通路上
の前記第２絞り装置より上流側に開閉弁を設けて冷凍サ
イクル装置を構成したものであり、さらに、精留分離器
で分離され上昇する気相成分の流路を、冷却器による冷
却が始まる部分よりも上流側の分岐部で分岐し、一方は
前記精留分離器に還流し、他方は低沸点冷媒通路に導入
するよう流路を構成してなるものである。

作用 本発明による非共沸混合冷媒を用いた冷凍サイクル装置
は、通常の冷凍操作時においては封入組成の混合冷媒の
ままで動作させ、より低温が必要の場合には、精留分離
器による分離操作を付加して、高沸点に富む成分と低沸
点に富む成分とに分離して、各々を高温用蒸発器、低温
用蒸発器とで冷却効果を発揮させるというものである。

ただし、ここで言う高温は従来レベルの蒸発温度という
ことてあり、また混合冷媒の分離操作は精留によるもの
であるため、高沸点に冨む成分と低沸点に富む成分とい
う表現は従来の気液分離器を用いた時と同じであるが、
内容的にはまったく異なり、はぼ単一成分と言えるよう
な組成の低沸点系冷媒と高沸点系冷媒とに分離される。

よって、高温用冷媒として従来と同じ冷媒を用い、低温
用冷媒としてそれよりも沸点の低い冷媒を用いて非共沸
の混合冷媒とすることにより、精留操作を働かせること
で、高温用蒸発器では従来と同じ能力、温度での冷凍が
可能となると同時に、低温用蒸発器では従来よりも低い
温度で、かつ従来の冷凍能力に付加した能力が得られる
ことになるため、低温化と能力の増大という相反する二
つの効果が達成可能となるものである。このとき、精留
分離器下流側のどの位置に開閉弁を設置するかによって
、通常運転時にどの蒸発器を利用するかが変わる。高沸
点冷媒通路と低沸点冷媒通路にまたがる位置に設置した
場合には、高温用蒸発器と低温用蒸発器の両方を利用す
ることが可能となり、低沸点冷媒通路上に設置した場合
には、高温用蒸発器だけを利用することになる。さらに
、本発明による冷凍サイクル装置をより効果的に動作さ
せるために、精留分離器で分離され上昇する気相成分の
流路を分岐し、一方は精留分離器に還流し、他方を低温
用蒸発器に導入する。このことにより、精留作用が速や
かに閏始されるとともに、低沸点冷媒通路に適正量の低
沸点冷媒を送ることが可能となるものである。さらに、
本発明による冷凍サイクル装置を比較的小型の冷凍冷蔵
庫の急速冷凍に適用することにより、上記当該サイクル
装置特有の作用（低温化と高能力化）が発揮されるため
、短時間の急速冷凍が可能となるものである。

実施例 本発明による一実施例を概念図として第１図に示す。同
図において１′は圧縮機、２は放熱用の凝縮器、３は高
温用蒸発器、４は低温用蒸発器であり、両蒸発器が利用
側の熱交換器となる。５．６はそれぞれ通常キャピラリ
管、膨張弁等で構成される第１、第２絞り装置である。

また本実施例においては、高沸点冷媒としてフロンＲ１
２、低沸点冷媒としてフロンＲ１３Ｂ１をそれぞれ７０
／３０％混合、非共沸混合冷媒として系に封入して用い
ている。しかしながら実施に当たっては、この系に限ら
ず、利用目的、利用温度等に応じて冷媒及びその混合比
を様々な組合せの中から選択することができる。そして
、上記混合冷媒を分離するためのユニットが、精留分離
器７、加熱器１３、上昇管８、還流管９、冷却器１４で
構成されている。ここで、精留分離器７は気液の接触を
良好とするために充填塔としている。また冷却器１４、
加熱器１３各々の冷却、加熱熱源として圧縮機１の吸引
側および吐出側の熱を利用している（回路）。

１１は分離操作が行なわれたとき低沸点冷媒が通過する
低沸点冷媒通路であり、１０は高沸点冷媒通路であり、
１２は両通路を第１、第２絞り装置よりも上流側で結ぶ
開閉弁である。混合冷媒を精留分離するための必要条件
として、精留分離器７下部において冷媒は気液混相状態
でなくてはいけないが、それを達成するために本実施例
では加熱器１３を用いている。しかし、他の方法として
凝縮器２で過冷却を取らないようサイクルを構成する、
あるいは凝縮器２と精留分離器７との間に絞り装置を設
けて中間圧とする等で、冷媒を気液混相の状態で精留分
離器７へ導入することも可能である。

次に動作について述べる。まず通常運転時は、開閉弁１
２を開としておくと、圧縮＊ｉで圧縮されたガス状の混
合冷媒は凝縮器２で放熱凝縮し液状となる。ここで加熱
器１３、冷却器１４を働かせなければ、精留分離器７に
よる精留操作が働かないので、液状のまま第１絞り装置
５へ流れるものと開閉弁１２を通って第２絞り装置６へ
流れるものとに分岐される。そしてそれぞれ減圧された
後、高温用蒸発器３及び低温用蒸発器４で冷却に寄怪し
蒸発気化、圧縮機１に戻される。このとき両肩発器の温
度はほぼ同じとなる。また加熱、冷却器１３．１４を働
かせた場合には、いったん精留が行なわれるため、低沸
点冷媒通路１１には低沸点成分が流出し、高沸点冷媒通
路１０には高沸点成分が流出してくるが、開閉弁１２を
介して一方が他方に混合することになるので、低温用蒸
発器４の方がやや温度が低くなるが、両肩発器３．４間
に大きな温度差はつかないことになる。そして次に開閉
弁１２を閑とし、加熱、冷却器１３、ｌ／Ｌを働かせた
場合には、凝縮器２から送られる冷媒液は加熱器１３で
加熱され気液混相状態となり１段分離された事になる。

そして高沸点成分に富んだ液は高沸点冷媒通路１０に流
出し、低沸点成分に富んだ気体は精留分離器７を上昇し
、上昇管８を通り冷却器１４で冷却され凝縮する。この
凝縮液は一部分岐され低沸点冷媒通路１１へ導かれると
ともに、残りは還流管９を通って精留分離器７へ頂部よ
り供給される。そうすると充填塔である精留分離器７中
において、上昇する低沸点に富んだ気体と降下する高沸
点に富んだ液体との間で、気液接触による熱交換及び物
質交換が行なわれ、即ち精留が開始されることになる。

よって、低沸点冷媒通路ｌｌ中の低沸点成分の濃度は徐
々ζニー高くなり、最終的には低沸点冷媒単一成分に極
めて近い状態となる。一方、逆に高沸点冷媒通路１０へ
は高沸点成分濃度の極めて高い冷媒液が流出することに
なる。そしてそれぞれが絞り装置５．６を介して、はぼ
同じ圧力の下で高温用蒸発器３と低温用蒸発器４で蒸発
するため、両蒸発器間で大きな温度差が得られることに
なる。また、このモードで加熱、冷却器１３．１４を働
かせない場合には、精留作用が行なわれないため全冷媒
は高温用蒸発器３に流れることになる。

次に本発明による他の実施例を概念図として第２（図に
示す。図中で第１図と変わっている点は、［Ｍ閉弁３２
を低沸点冷媒通路ｌｌ上に設け、凝縮器２からの流路を
精留分離器７の略中間部と接続したことである。これに
ともない加熱器１３は精留分離器７の底部に設けている
。分離ユニットにおける第１図からの改良は精留作用を
より確実にするだめのものである。第１図においては、
精留分離器７の底部に於て、降下してくる高沸点単一成
分に近い液と、加熱器１３の加熱により１段だけ分離し
た高沸点に富んだ成分が合流して、高沸点冷媒通路１０
に流出することになるが、第３図においては、冷媒は精
留分離器７の略中間部に供給されるため、そこから下部
へ降下する間に上昇する気体との接触で精留作用が行な
われ、より高沸点成分の濃度が上がり、そのために高沸
点冷媒通路１０に流出する液の高沸点冷媒濃度は第１図
の時よりも大きくなる。逆に低沸点冷媒通路１１に流出
する液は、低沸点成分濃度が上がることになる。そして
開閉弁３２を開放した場合については、上記のような成
分濃度について若干の相違はあるが、基本的には第１図
における開閉弁１２を１羽１トした状態の時と、モード
としては全く同じであるので説明を省略する。しかし、
開閉弁３２を閉の状態に１．・た通常運転時に第１図の
時とモードが異なる。この場合には、加熱、冷却器１３
．１４を働かす働かさないに拘らず、冷媒は高温用蒸発
器３にだけ流れ、その部分だけが冷凍に寄与することに
なる。また、第１図と第３図との対比において、開閉弁
１２．３２の位置を相互に入れ換えることが可能である
のは明らかなことである。

次に第４図は、第３図における分離ユニットの部分の他
の実施例を示す。ここで上昇管８は冷却器１４での冷却
が始まる以前の上流部分に分岐部１６を設けて分岐し、
冷却され凝縮した低沸点冷媒の一方は還流管９を通って
精留分離器７へ供給され、他方は低沸点冷媒通路１１に
供給されることになる。この方法は、冷却器１４により
凝縮した冷媒を、還流管９側と低沸点冷媒通路ｌｌ側と
に、一定の流量比で分割するために有効である。

一部液になった気液混相状態で適切量の分割をするのは
困難であるが、本実施例のように気体状態で上昇してく
る途上であるならば、分岐部１６で分割したい流量比に
相当する開口面積比率に分岐するだけで、簡単に適切量
の分割が可能となる。

次にこれまで述べた冷凍サイクル装置を急速冷凍機能付
きの冷凍冷蔵庫に適用したときに付いて簡単に説明する
。この場合には、第１図、第３図で述べた高温用蒸発器
を間接冷却用蒸発器（以後間冷蒸発器と称す）、低温用
蒸発器を直接冷却用蒸発器（直冷蒸発器）として用いる
。このとき間冷蒸発器は冷凍庫及び冷蔵庫の冷却に共用
できるよう設置し、直冷蒸発器は冷凍用に、特に急速冷
凍用の部屋が設けられている場合にはその中に設置され
る。通常運転時においては、封入した混合冷媒組成（例
えば第１図の説明で示した冷媒組成）のままで冷媒はサ
イクルを循環することになり、開閉弁１２．３２を高沸
点冷媒通路１０と低沸点冷媒通路１１にまたがる位置に
設置したとき（第１図）には、開閉弁は開であり、間冷
、直冷蒸発器を同時にほぼ同温度条件で用いることにな
る。

また開閉弁１２．３２を低沸点冷媒通路１１に設置した
ときく第３図）には、開閉弁は閉であり、間冷蒸発器だ
けを用いることになる。次に急速冷凍時においては、精
留作用を開始し冷媒分離を行なわせるため、開閉弁１２
．３２を高沸点冷媒通路１０と低沸点冷媒通′＃Ｉｌｌ
にまたがる位置に設置したとき（第１図）には、開閉弁
は閉であり、また開閉弁１２．３２を低沸点冷媒通路１
１に設置したとき（第３図）には、開閉弁は開であり、
いずれの場合においても、高沸点の単一組成に近い冷媒
が間冷蒸発器に流入し、低沸点の単一組成に近い冷媒が
直冷蒸発器に流入するようになる。

そしてほぼ同じ圧力の下でそれぞれ蒸発が進行するため
、冷凍能力を維持したまま直冷蒸発器において格段の低
温化が実現できることになる。このとき、一般に直冷蒸
発器による冷凍負荷はそれほど大きくないので、混合冷
媒組成に占める低沸点冷媒の比率は高沸点冷媒に比較し
て小さい方が好ましい。そうすれば、ここで言う高沸点
冷媒を従来普通に用いられた冷媒（例えばフロンＲ１２
）を用いることにより、基本の冷凍サイクル部分は従来
の機器でほぼ代用できることになり、機器構成上のメリ
ットが大きい。

発明の効果 本発明は、非共沸混合冷媒を用いて、圧縮機−１凝縮器
、精留分離器を順次接続し、前記精留分離器の底部出口
から高沸点冷媒通路を、前記精留分離器の頂部出口から
低沸点冷媒通路をそれぞれ並列に設け、前記高沸点冷媒
通路は、第１絞り装置および高温用蒸発器を介して前記
圧縮機に接続し、前記低沸点冷媒通路は、第２絞り装置
および低温用蒸発器を介して前記圧縮機に接続するとと
もここ、萌記両通路間を前記第１、第２絞り装置より上
流側で開閉弁を介して接続して冷凍サイクル装置を構成
するか、または、非共沸混合冷媒を用いて、圧縮機、凝
縮器、精留分離器を順次接続し、前記精留分離器の底部
出口から高沸点冷媒通路を、前記精留分離器の頂部出口
から低沸点冷媒通路をそれぞれ並列に設け、前記高沸点
冷媒通路は、第１絞り装置および高温用蒸発器を介して
前記圧縮機に接続し、前記低沸点冷媒通路は、第２絞り
装置および低温用蒸発器を介して前記圧縮機に接続する
とともに、前記低沸点冷媒通路上の前記第２絞り装置よ
り上流側にｒＷｉ閉弁を設けて冷凍サイクル装置を構成
したものであり、さらに、精留分離器で分離され上昇す
る気相成分の流路を、冷却器による冷却が始まる部分よ
りも上流側の分岐部で分岐し、一方は前記精留分ｍ器に
還流し、他方は低沸点冷媒通路に導入するよう流路を構
成することによって以下の効果を奏する。

（イ）簡単な切り替え操作で、一定の蒸発温度と、二つ
の異なる蒸発温度を得る冷凍サイクル装置を構築するこ
とが可能となる。

（ロ）特別の制御機構を設けずに、二つの異なる温度レ
ベルの、それも温度差の大きい蒸発温度が同時に得られ
る冷凍サイクル装置を構築することが可能となる。

（ハ）上記の冷凍サイクル装置を急速冷凍機能付き冷凍
冷蔵庫の急速冷凍時に適用することにより、冷凍能力を
維持したまま、同時に低温化が実現できるため、魚肉等
の生鮮食料品の冷凍が速やかに達成され、その保鮮効果
の向上が可能となる。（最大氷結晶生成帯の通過時閉が
短くなり、生鮮食料品氷結時の細胞破壊の防止効果が大
きいため）（ニ）Ｗｉ単な構成で、二つの蒸発器に組成
の異なる冷媒を、安定に供給することが可能となるため
、サイクルの装置全体が簡素で、制御性、操作性が向上
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は従来
例を示す構成図、第３図は本発明による他の実施例を示
す構成図、第４図は本発明による他の分溜ユニットの実
施例を示す構成図である。 ｌ・・・圧縮機、２・・・凝縮器、３・・・高温用蒸発
器、４・・・低温用蒸発器、５．６・・・第１、第２絞
り装置、７・・・精留分離器、１０・・・高沸点冷媒通
路、１１・・・低沸点冷媒通路、１２．３２・・・閏閏
弁、１６・・・分岐部。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図 第２図 第３図 第４図 高湿」焦光基３へ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）非共沸混合冷媒を用いて、圧縮機、凝縮器、精留
   分離器を順次接続し、前記精留分離器の底部出口から高
   沸点冷媒通路を、前記精留分離器の頂部出口から低沸点
   冷媒通路をそれぞれ設け、前記高沸点冷媒通路は、第１
   絞り装置および高温用蒸発器を介して前記圧縮機に接続
   し、前記低沸点冷媒通路は、第２絞り装置および低温用
   蒸発器を介して前記圧縮機に接続するとともに、前記両
   通路間を前記第１、第２絞り装置より上流側で開閉弁を
   介して接続したことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. （２）非共沸混合冷媒を用いて、圧縮機、凝縮器、精留
   分離器を順次接続し、前記精留分離器の底部出口から高
   沸点冷媒通路を、前記精留分離器の頂部出口から低沸点
   冷媒通路をそれぞれ設け、前記高沸点冷媒通路は、第１
   絞り装置および高温用蒸発器を介して前記圧縮機に接続
   し、前記低沸点冷媒通路は、第２絞り装置および低温用
   蒸発器を介して前記圧縮機に接続するとともに、前記低
   沸点冷媒通路上の前記第２絞り装置より上流側に開閉弁
   を設けたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
3. （３）精留分離器で分離され上昇する気相成分の流路を
   、冷却器による冷却が始まる部分よりも上流側の分岐部
   で分岐し、一方は前記精留分離器に還流し、他方は低沸
   点冷媒通路に導入するよう流路を構成した請求項１また
   は２に記載の冷凍サイクル装置。