JPH03158659A - 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、非共沸混合冷媒を使用した、多段気液分離方
式の超低温冷凍装置に関するものである。

（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、生体や微生物などを凍結保存するための冷凍装置は
、凍結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。

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、にト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。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した二元冷凍方式の冷
凍回路を使用して小形で温度の制御性がよく、かつ、熱
交換効率よく、超低温の得られるものか特開昭６２−７
３０４６号に開示されている。そして、第２冷凍回路に
は、Ｒ２１、Ｒ１３Ｒ＋、Ｒ１４、Ｒ５０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
温を得ている。

しかしながら、こうした超低温冷凍装置では、二元冷凍
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、二つの冷凍回路
間で熱交換を行うための制御装置を必要とするので、制
御の面からみても冷凍装置が複雑になってくる。

そこで、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、−１
５０℃といった超低温の得られる超低温の冷凍装置の発
明が、特願昭６３−３３０６１４で出願されている。

この発明の冷凍装置は、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、はぼ一定間隔となるもの
である。

そして、圧縮機から冷却器に到る間には、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
段まで設け、最終段の第４カスケード熱交換器からの低
沸点の液冷媒を減圧し、冷却器にはいるよう接続してい
る。そして、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。

そして、気液分離と熱交換の各段ごとに、はぼ等温度間
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
却を行い、極めて低い温度を得ている。

また、こうしたものにおける、起動直後の熱交換の不安
定や装置の立上りの不安定を抑えるため、）最終段の熱
交換器からの低沸点ガス冷媒を通過させるとともに通過
したガス冷媒との間で熱交換さ）せるようにした副冷却
器を設けたものが・特願昭６３−３３０６１５号で出願
されている。

ところが、こうした冷凍装置に使用される、使用圧力下
での沸点温度差が順次はぼ一定間隔になる複数種類の冷
媒は、前記先願での一例をあげるとＲ１１、Ｒ１２、Ｒ
１３、Ｒ１４Ｒ，Ｒ５０、Ｒ７４０であるが、これらの
うちＲ１１、Ｒ１２は最近問題になっているオゾン層破
壊のおそれのある、いわゆる規制対象品であって、今後
使えなくなってしまう。

（解決しようとする課題） この発明は、こうした問題に対処するため、規制対象品
外り媒であって、沸点温度差が順次はぼ一定間隔となら
ない複数種類の冷媒を使用するにもかかわらず、効率的
に冷却を行い、極めて低い温度の得られる冷凍装置を提
供することを課題とする。

（問題点を解決するための手段） この発明においては、冷媒としてＲ１２３、Ｒ１４２ｂ
、Ｒ２２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ１４、Ｒ５０、Ｒ７４０
を使用する。これらのうちＲ１２゜３は前述先願発明に
おけるＲ１１に替わり、Ｒ１’４２ｂとＲ２２は同じく
Ｒ１２に替わるものであっ温を得るようにした超低温貯
蔵庫用の冷凍装置での実施例について図面を用いて説明
する。

この冷凍装置に封入される混合冷媒の成分は、次の通り
である。

型　　　弐　モル比（％）　沸点　（℃）Ｒ１２３２５
±５　　　　２７．５ Ｒ１４２ｂ　　　　Ｏ１２−９，７ Ｒ２２０±５　　　−４０，８ Ｒ１３５±５　　　−８１．４ Ｒ１４５土５　　−１２７．９６ Ｒ５０５±５　　−１６１．６ Ｒ７４００±５　　−１８５．７ ただし、上記緋点は、大気圧下におけるものでのであっ
て、圧縮板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。なお、
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に位
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、気液分離と熱交換の第１段
が形成され、主としてＲ１２３、Ｒ１４２ｂの液化、分
離とこれによる熱交換のために機能する。

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
１ｏ、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、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、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
入口に配管接続されて、気液分離と熱交換の第２〜第４
段目が形成される。

そして、第４−カスケード熱交換器１３の外管出口は、
減圧手段としての第５細管１５を介して、図示しない超
低温貯蔵庫に設けられた冷却器１６の入口に配管接続さ
れている。

そして、冷却器１６の出口からの配管は、第４細管１４
から第４カスケード熱交換器１３の内管換器１０の内管
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
入口へ同様にして配管接続される。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。

定常運転中、圧縮機１の吸入圧は１．７０ｋｇ／ｃＪＧ
、吐出圧は１７．０　ｋｇ／　ｃｔＡ　Ｇで、ここから
吐出される混合冷媒は、約９８℃程度の高温のガス状態
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２８℃、主としてＲ１２３とＲ１４２ｂの大部
分とＲ２２の相当部分が液化し、他の冷媒はガス状態に
ある気液混合状態になる。

４において約−３８℃、主としてＲ２２の大部分とＲ１
３の相当部分が液化し、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、約−７０℃、主としてＲ１
３の大部分とＲ１４の一部分が液化し、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−９５
℃、主としてＲ１４の大部分とＲ５０の一部分が液化し
、残りの冷媒がガス状態にある気液混合状態になる。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
で約−１２４℃、Ｒ５０とＲ７４０からなる液冷媒にな
る。

こうして残ったＲ７４０を主成分とする液冷媒２、Ｒ１
３、Ｒ＋４、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
、高沸点のもの程、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。

いまひとつの実施例として、第２図のように先の実施例
における気液分離と熱交換の第４段目の以上の通り、気
液分離と熱交換の組み合わせを順次、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
ほぼ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。

混合されている各冷媒は、各段で高沸点のものだけ、中
法点のものだけ又は低泌点のものだけが液化し、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、Ｒ１２
３、Ｒ１４２ｂ、Ｒ２このものでは、第４カスケード熱
交換器１３の外管出口に、２重管式熱交換器である副冷
却器１７の外管入口が配管接続されており、その外管出
口に接続された配管は、二つに分岐され、一方は減圧手
段としての第６細管１８を介して、その内管入口に配管
接続されている。また、分岐された他の一方は、先の実
施例同様減圧手段としての第５細管１５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１６の入口に
配管接続されている。そして、主冷却器１６の出口から
の配管及び副冷却器１７の内管出口からの配管は合流し
、更に第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。

そこで、先の実施例同様第４カスケード熱交換器１３か
らのＲ５０の一部分とＲ７４０の相当部分からなる気液
混合冷媒は、副冷却器１７において、完全に液化状態に
なり、第５細管１５で減圧された後、主冷却器１６に流
入、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。　ところで、起動時にあっては、こ
れだけ弁を設けるなど付加装置や、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。

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など各種のもの
としてよい。減圧手段もまた細管に限るものではなく、
減圧弁や膨張弁などとしてよい。また、構成機器間の接
続は、いため、主冷却器１６から流出するガス冷媒の温
度は、定常運転中の約−１４８℃といったものよりはる
かに高いものになる。しかしながら、副冷却器１７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１３に流入する
ので前段での熱交換に悪影響はなく、安定した起動がで
きる。

以上、好ましい実施例であるが、各構成機器の大きさに
大きな変更、例えば、配管中に流量調整ルドトラップの
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。

（効果） 以上の通り、この発明によれば、−元方式であるため圧
縮機を始め構成品が少な（でき、また、二元方式のよう
な複雑な制御を必要としない。更に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、制御とも簡素化され、小型
化されたものになり、沸点の温度差が必ずしも順次はぼ
一定間隔でない冷媒を含む複数種類の冷媒を使用して効
率よ＜−１５０℃の超低温が得られる冷凍装置とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

図面は、この発明の実施例を示すものであって第１図及
び第２図は概略回路図である。第１図及び第２図におい
て１は圧縮機、２は凝縮器、３は第１気液分離器、４は
第１カスケード熱交換器、６は第２気液分離器、７は第
２カスケード熱交換スケート熱交換器、１６は冷却器又
は主冷却器、１７は副冷却器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 高沸点から低沸点に到るまでの冷媒で、沸点温度が順次
   異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
   後、減圧された前記高沸点液冷媒と前記残留ガス冷媒と
   の間で熱交換させる第１カスケード熱交換器と、前記残
   留ガス冷媒を以下、主として沸点の高い冷媒から順次、
   同様に液冷媒と残留ガス冷媒に分離する第２以下適宜段
   の気液分離器と、これら第２以下適宜段の気液分離器で
   分離された残留ガス冷媒と同じく分離された後、減圧さ
   れた液冷媒との間で、それぞれ熱交換させる第２以下適
   宜段のカスケード熱交換器と、この最終段の熱交換器で
   生じた低沸点液冷媒を少なくとも減圧した後、蒸発させ
   る冷却器と、この冷却器で冷却作用した後、流出した冷
   媒を、逆に前記最終段のカスケード熱交換器から順次、
   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
   せられる管路を具備してなる冷凍装置であって、前記封
   入されている複数種類の混合冷媒は、Ｒ１２３、Ｒ１４
   ２ｂ、Ｒ２２、Ｒ１３、Ｒ１４、Ｒ５０、Ｒ７４０であ
   る前記冷凍装置。