JPH03255856A

JPH03255856A - 冷却装置

Info

Publication number: JPH03255856A
Application number: JP5587690A
Authority: JP
Inventors: Norimoto Matsuda; 松田　紀元; Satoru Kajikawa; 梶川　悟; Masahiko Ikeda; 昌彦池田; Yasuhiro Onishi; 泰寛大西
Original assignee: Shin Meiva Industry Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 1990-03-06
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1991-11-14

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
冷却体の温度を効果的に、広範囲に制御するのに好適な
冷却装置に関する。

（従来の技術）従来、−１００℃以下の低温を得るための超低温冷凍機
として特願昭６３−３３０６１４に示されるように１台
の圧縮機と凝縮器並びに複数段の気液分離器及び熱交換
器から構成された一元冷凍サイクルに多成分混合冷媒を
封入したものが提案されている。このような超低温冷凍
機で被冷却体を冷却する場合、最終段のキャビラリーチ
ューフ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、−旦冷却器でブラインを冷却し、そのブ
ラインを配管で被冷却体まで移送する間接冷却方式があ
る。いずれの場合も被冷却体の温度を広い範囲で制御し
ようとすると、低温段の熱交換器に熱負荷がかかって冷
凍サイクルのバランスがくずれたり、冷凍サイクル全体
の圧力や温度が上昇するなどの不具合が発生するため、
被冷却体の温度制御範囲が限定される。

これを第８図に示すような従来の間接冷却方式の超低温
冷凍機について説明すると次のようになる。図において
、１は圧縮機、２は凝縮器、３．６．９．１２はそれぞ
れ第１、第２、第３、第４気液分離器、４．７．１０．
１３はそれぞれ第１第２、第３、第４熱交換器、５．８
．１１．１４．１５はそれぞれ第１、第２、第３、第４
、第５キヤピラリチユーブ、１６は冷却器、１７は冷却
用コイル、２１は冷媒移送管、２２は冷媒戻り管、２３
は被冷却体、２６はヒータであり、冷却器１６の二次側
からは冷媒移送管２１によってブラインが被冷却体２３
まで供給され、冷媒戻り管２２によって冷却器１６に回
収される。

ここで最低湿部周辺である被冷却体２３の温度制御範囲
を拡大することは被冷却体２３の温度が最低温度から常
温付近まで上昇することを意味する。その場合、当然の
ことながら冷却器１６をはじめ、各熱交換器１３．１０
．７．４の温度も順次上昇することになる。そうすれば
冷凍サイクル系内に封入されている冷媒のうち、沸点の
低いガスは順次ガス化されていくので、系内の圧力が上
枝術のように温度制御範囲が狭（とも困ることはないの
であるが、冷却装置の用途が広まって（ると、超低温か
ら常温付近までの広い温度制御範囲を必要とする用途、
例えば広い温度範囲を必要とする試験装置などへ用途が
開けてきた。このためこうした場合従来のような技術で
は、順次温度側まう。

以上のようなことから、従来技術を適用し、元冷凍サイ
クルに多成分混合冷媒を封入した超低温冷凍機の場合、
最低到達温度が一１５０℃のものならば最低温部の温度
が一１００℃付近まで運転するのが限界であった。すな
わち被冷却体の温度制御幅は約５０℃程度であり、−１
５０℃から常温付近まで運転できるものはなかった。

ところで、単に一１５０℃といった超低温を得ることだ
けを目的とした装置であれば、前述従来動体の温度制御
範囲を拡大できる、冷却装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段および作用）本発明では上
記の課題を解決するための手段として、被冷却体まで冷
媒または２次冷媒を移送するラインにバイパス回路及び
バイパス弁を設け、被冷却体の温度を制御したい温度レ
ベルに応じてバイパス弁の開度な変化させ、冷媒または
２次冷媒をバイパスさせることによって冷凍サイクル全
体の運転特性に悪影響を与えることな（、すなわち冷凍
サイクル低温部の熱交換器温度を太き（上昇させること
なく被冷却体冷却用のコイル温度を制御しようとする。

そして、ヒータをも具備せしめて被冷却体の温度を精密
に制御する態様もある。

（実施例）本発明を実験装置内の被冷却体を冷却するための４段気
液分離式冷却装置に実施した例について第１図〜第を図
によって説明する。

張子段、１５は第４熱交換器１３によって液化された冷
媒を減圧するための第５膨張手段、１６は２次冷媒であ
るブラインを冷却するための冷却器、１７は冷却用コイ
ル、２１は冷却された２次冷媒を移送する冷媒移送管、
２２は冷媒戻り管、２３は被冷却体、２４は被冷却体２
３を収納した実験装置、２５はバイパス弁、２６は被冷
却体２３の温度制御を行うためのヒータである。そして
第１〜第５膨張手段はいずれもキャピラリチューブでい
てみると、１は混合ガス冷媒を圧縮する圧縮機、２は圧
縮機１から吐出された高圧、高温の混合ガス冷媒を冷却
して凝縮させるだめの凝縮器、３は第１気液分離器、４
は第１熱交換器、５は第１膨張手段、６は第２気液分離
器、７は第２熱交換器、８は第２膨張手段、９は第３気
液分離器、１０は第３熱交換器、１１は第３膨張手段、
１２は第４気液分離器、１３は第４熱交換器、１４は第
４膨ガス冷媒と液冷媒に分離され、ガス冷媒は第１熱交
換器４に送られる。液冷媒は第１膨張手段５に送られ、
減圧されて気液混相の冷媒となり、圧縮機１に戻る低圧
冷媒ラインに合流する。第１熱交換器４に送られた高圧
ガス冷媒は低圧ラインの戻り冷媒と熱交換して一部が凝
縮して気液混和の冷媒となり第２気液分離器６に入り、
以下同様の作用を順次繰返す。

第４熱交換器１３によって凝縮されだ液冷媒は第５膨張
１５手段に入り、こ匁で減圧されて気液混相となり、冷
却器１６に入る。冷却器１６では気液混相の冷媒が蒸発
しながら２次冷媒の冷却性れている混合冷媒が各熱交換
器４．７．１ｏ１１３の一方側の流路を順次通過して冷
却器１６に到り、各熱交換器１３．１０．７．４のもう
一方の流路を順次通過する間の温度変化および冷却器１
６における熱負荷の状況を示すと第２図のようになる。

第２熱交換器７、第１熱交換器を通りながら自身で、被
冷却体２３の温度を上昇させたいときには一方、冷却器
１６で冷却された２次冷媒は自然対流による循環または
ポンプ（図示せず）によって冷媒移送管２１に送られ、
実験装置２４の中に設置された被冷却体２３を冷却して
冷媒戻り管２２を通って戻ってくる。なお、この実施例
は間接冷却方式のものであるため、２次冷媒の循環が自
然対流だけでは充分でない場合には、ポンプによる強制
循環が行われる。

この冷凍サイクルの温度分布すなわち、封入さの温度は
一り５０℃〜常温の間で制御可能となる。

すなわち、被冷却体２３の温度を低（したいときにはバ
イパス弁２５の開度な絞り、被冷却体２３の温度を高（
したいときにはバイパス弁２５の開度を大きくすればよ
い。このように、この実施例では被冷却体２３の温度は
図上Ａ、Ｃの範囲にわたって制御できるが、従来例の温
度制御範囲はＡ〜Ｂに限られる。

しかも、被冷却体２３の温度を高くするときでも、バイ
パス弁２５の開度な太き（しておけば、２次冷媒全体の
温度は左程上昇しない。このため、−次側の系内圧力や
圧縮機１の吐出ガス温度の異常上昇を招（ことなどが防
げる。

従って、混合冷媒側の冷凍サイクルに大きな影響を与え
ることな（被冷却体２３の温度調節範囲を一り５０℃〜
常温に拡大できるという効果がある。これは、従来の一
１５０℃〜−１００℃に比力変更乞指令する制御装置２
８を加えることができる。その１例が第４図で、制御装
置２８が被冷却体２３の温度信号を温度センサー２７か
ら取込み、目標設定温度との差に応じて自動的にバイパ
ス弁２５の開度変更及びヒータ２６の出力調整を行うの
で前述実施例の効果に加えて運転者は細い制御をしな（
てすむという効果がある。

更に、第５図は、請求項第３項の発明の実施例を示すも
ので、請求項第１項の発明の実施例から冷却器１６をな
（して、第５膨張手段を出た冷媒配管をその″Ｉ！Ｎ被
冷却体２３まで配設したもので明の実施例であって、ヒ
ータ２６で熱負荷を制御することにより被冷却体２３の
温度を上昇させることで精密な温度制御ができるという
効果が加わる。

更に、いずれの実施例についても、被冷却体２３の温度
を検知するセンサ及びその出力を得てバイパス弁２５の
開度変更若しくはヒータ２６の比圧縮機１が冷媒循環の
駆動源であるから、２次冷媒の自然対流循環に比較して
循環能力にすぐれ、冷凍サイクルと実験装置２４の距離
が太きいときに適している。また、直接冷却方式である
ため２次冷媒が不要であるうえ、特別な循環ポンプも不
要であるので、請求項第１項の発明の実施例における効
果に加えて構成が簡単であるという効果もある。

また、・格別図示しないが、請求項第４項の発明の実施
例として、前述請求項第３項の発明の実施例に、被冷却
体２３’＆加熱するヒータを加えたものがあり、これら
の実施例に更に被冷却体２３の温度を検知するセンサと
その出力を得てバイパスを設け、冷媒のバイパス流量を
制御することによって、冷凍サイクル系内のガス圧や、
圧縮機吐出ガス温度の異常上昇を招（ことなく被冷却体
の温度制御範囲を大幅に拡大できるという効果がある。

【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図は
接続図、第２図及び第３図は温度状態図、２５を開（た
けでは、被冷却体２３に到る冷媒がバイパスしに（いこ
ともあるので、第６図に示す２３に到る冷媒量を加減し
、バイパスを促進させることや第７図に示すようにバイ
パス弁を複数個にしてバイパスを促進させることもでき
る。（効果）本考案によれば冷凍サイクル系の最低温部において被冷
却体に冷媒を送るラインにバイパス回路８は第２膨張手
段、９は第３気液分離器、１ｏは第３熱交換器、１１は
第３膨張手段、１２は第４気液分離器、１３は第４熱交
換器、１４は第４膨張手段、１５は第５彬張手段、１６
は冷却器、２１は冷媒移送管、２２は冷媒戻り管、２３
は被冷却体、２５はバイパス弁、２６はヒータである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）沸点の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、圧縮
した混合冷媒を冷却液化する凝縮器と液化された混合冷
媒を順次高沸点の液冷媒とガス冷媒に分離する複数段の
気液分離器と、該気液分離器の液冷媒を減圧する複数の
膨張手段と、該膨張手段によって減圧され、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複数段
の熱交換器と、最終段の熱交換器で完全に液化した低沸
点冷媒を減圧し、蒸発させる冷却器と、冷却器で冷却さ
れた２次冷媒を被冷却体に送る冷媒移送管と、該被冷却
体からの冷媒戻り管と、前記冷媒移送管と冷媒戻り管と
をバイパスする回路に設けたバイパス弁を具備し、前記
バイパス弁の開度変更によって前記被冷却体の温度を制
御することを特徴とする冷却装置。
（２）請求項第１項において、前記被冷却体を加熱する
ヒータを具備し、前記バイパス弁の開度変更とヒータ出
力可変操作によって前記被冷却体の温度を制御すること
を特徴とする冷却装置。
（３）沸点の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、圧縮
した混合冷媒を冷却液化する凝縮器と、液化された混合
冷媒を順次高沸点の液冷媒とガス冷媒に分離する複数段
の気液分離器と、該気液分離器の液冷媒を減圧する複数
の膨張手段と、該膨張手段によって減圧され、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複数段
の熱交換器と、最終段の熱交換器で完全に液化した低沸
点冷媒を減圧し、被冷却体に送る冷媒移送管と該被冷却
体からの冷媒戻り管と、前記冷媒移送管と冷媒戻り管と
をバイパスする回路に設けたバイパス弁を具備し、バイ
パス弁の開度変更によって前記被冷却体の温度を制御す
ることを特徴とする冷却装置。
（４）請求項第３項において、前記被冷却体を加熱する
ヒータを具備し、前記バイパス弁の開度変更とヒータ出
力可変操作によって前記被冷却体の温度を制御すること
を特徴とする冷却装置。