JPH03263551A - 多元冷凍装置 - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、高温側冷凍サイクルの蒸発器と低温側冷凍サ
イクルの凝縮器とをカスケードコンデンサで熱交換させ
る多（ニ）元冷凍装置に関する。

（ロ）従来の技術 二元冷凍装置が示されたものとして、特公昭５１−３５
７２号公報がある。この公報では、高温側冷凍サイクル
の蒸発器と低温側冷凍サイクルの凝縮器とをカスケード
コンデンサで熱交換させると共に、この低温側冷凍サイ
クルの低圧側管に膨張タンクを設けていた。

そして、低温側冷凍サイクルには２８０°Ｃ程度の高沸
点の冷媒（例えばＲ−１３）が用いられている。

（ハ）発明が解決しようとする課題 このような二元冷凍装置において、例えばカスケードコ
ンデンサで低温側冷凍サイクルの冷媒の過冷却が十分と
れていない場合は、この冷媒の沸点が高いためにカスケ
ードコンデンサ（凝縮器）から膨張弁（減圧器）に至る
配管内で液冷媒がガス化しやすい。そして、ガス化した
冷媒が膨張弁に流れ込むと、膨張弁の作動状態が不安定
すなわち弁開度が一定に保たれず、安定した冷凍能力を
得ることがむずかしかった。液冷媒のガス化を防ぐため
に低圧側冷凍サイクルに封入される冷媒量を多くするこ
とも考えたが、この冷媒（Ｒ−１３）の価格は高圧側冷
凍サイクルに封入される冷媒（例えばＲ−２２）の価格
の約３倍から４倍程度であり、コストアップは避けられ
ない、又、低圧側冷凍サイクルの冷媒封入量を多くする
と、この低圧側冷凍サイクルに設けられる膨張タンクの
容量も多くなり装置が大型化するおそれもあった。

本発明は多（ニ）元冷凍装置における低圧側冷凍サイク
ルの凝縮器から減圧器に至る配管内でのガス化を防止し
て安定した冷凍能力を保つようにすることを目的とした
ものである。

（ニ）課題を解決するための手段 この目的を達成するために、本発明は多（ニ）元冷凍装
置の低温側冷凍サイクルの凝縮器と減圧器との間には、
受液器とこの受液器からの冷媒を冷やす過冷却器とを設
けるようにしたものである。

（＊）作用 低温側冷凍サイクルの凝縮器から流れ出た冷媒は受液器
に貯溜諮れる。そして、この受液器から流れ出した液冷
媒が過冷却器によって十分冷やされて減圧器へ流れ込む
。

（へ）実施例 第１図、第２図において、１は二元冷凍装置で、この装
置は、高温側ユニット２と、低温側ユニット３と、クー
ラユニット４とから構成されている。そして、これらユ
ニット２，３．４は冷媒管（後述する）でつながれる。

５は高温側冷凍サイクルで、圧縮機６、マフラ７、凝縮
器８、第１受液器９、ドライヤ１０、第１制御弁１１、
第１膨張弁（減圧器）１２、過冷却器として作用するサ
ブクーラ１３、蒸発器１４、アキュムレータ１５が順次
冷媒管で接続されている。この高温側冷凍サイクル５に
封入されている冷媒はＲ−２２である。１６は低圧側配
管に取り付けられた温度センサで、このセンサ１６で検
出した温度に基づいて第１膨張弁１２の開度が制御きれ
る。又、第１制御弁１１はこの冷凍サイクル５の冷却運
転の停止後に行なわれるポンプダウン運転時に閉じられ
て、蒸発器１４内の冷媒をこの冷凍サイクル５の高圧側
管路（凝縮器８等）に回収させるものである。

１７は低温側冷凍サイクルで、圧縮機１８、マフラ１９
、オイルセパレータ２０、凝縮器２１、第２の受液器３
４、サブクーラ１３、ドライヤ２２、第２膨張弁（減圧
器）２３、蒸発器２４、吸込圧力調整弁２５、アキュム
レータ２６が順次冷媒管で接続きれている。２７はオイ
ル戻し管で、オイルセパレータ２０に溜められたオイル
を圧縮機１８へ戻すものである。そしてこの低温側冷凍
サイクル１７の凝縮器２１と高温側冷凍サイクル５の蒸
発器１４とはカスケードコンデンサ２８で一体的に組み
合せられており、この低温側冷凍サイクル１７の凝縮器
２１と高温側冷凍サイクル５の蒸発器１４とが熱交換す
るようになっている。

この低温側冷凍サイクル１７に封入されている冷媒はＲ
−１３である。２９は低圧側配管に取り付けられた温度
センサで、このセンサ２９で検出した温度に基づいて第
２膨張弁２３の開度が制御される。３０は膨張タンク、
３１は一方のバイパス管で、一端が凝縮器２１の入口側
すなわち高圧側管路３２に、他端が膨張タンク３０の上
部に夫々つながれている。３３はこの一方のバイパス管
３１に設けた第２制御弁で、低温側冷凍サイクル１７の
圧縮機１８の運転時に閉じて、その運転停止時に開放さ
れる。この第２制御弁３３は一般的に「通電開型」と呼
ばれている電磁弁である。３５は他方のバイパス管で、
一端が膨張タンク３０の下部に、他端が吸込圧力調整弁
２５の入口側すなわち低圧側管路に夫々つながれている
。このように第２制御弁３３を圧縮ｓ！１８の運転停止
時に開放するようにしたので、運転停止時に低温側冷凍
サイクル１７の凝縮器２１内の液冷媒は高圧側管路３２
、一方のバイパス管３１を介して膨張タンク３０へ導び
かれる。前述の吸込圧力調整弁２５はその入口側管路３
６内の冷媒圧力が例えば５ｋｇ／ｃｍ　”以上であれば
、その弁２５の開度を絞って、約５驕ハかにその冷媒圧
力を低下きせて圧縮機１８へ冷媒を戻すようにしたもの
である。これによって、圧縮機１８に吸込まれる冷媒圧
力が異常に高くなるのを防止して、圧縮機１８から吐出
される冷媒の（高圧）圧力の異常上昇を防止している。

３９は遅延装置（遅延手段）で、高温側冷凍サイクル５
の圧縮機６並びに低温側冷凍サイクル１７の圧縮機１８
につながれており、高温側冷凍サイクル５の圧縮機６の
運転開始から６０秒後に低温側冷凍サイクル１７の圧縮
機１８の運転が開始するようにこの圧縮機１８に信号が
出される。

このような構成の二元冷凍装置を特に高温側ユニット２
と、低温側ユニット３と、クーラユニット４とに分離し
、高温側ユニット２には高温側冷凍サイクル５の圧縮機
６と凝縮器８とを内蔵させ、低温側ユニット３にはカス
ケードコンデンサ２８と低温側冷凍サイクル１７の圧縮
機１８とを内蔵させ、クーラユニット４には低温側冷凍
サイクル１７の蒸発器２４を内蔵させている。このよう
にしたことにより、クーラユニット４を備えた冷凍室（
図示せず）の近くに、低温側ユニット３と高温側ユニッ
ト２との両方を置くスペースがない場合は、低温側ユニ
ット３のみをこの冷凍室の近くに置き、他の場所に高温
側ユニット２を置くこともできる。ここで、低温側ユニ
ット３とクーラユニット４とをつなぐ低温側のユニット
間配管３７の温度（この低温側のユニット間配管３７内
を流れる冷媒の温度）は、高温側ユニット２と低温側ユ
ニット３とをつなぐ高温側のユニット間配管３８の温度
（このユニット間配管３８内を流れる冷媒の温度）より
も低いが、この低温側のユニット間配管３７の長さを短
かく抑えることができ（低温側ユニット３とクーラユニ
ット４との距離が短かいので）、このユニット間配管３
７による熱ロスを小さくすることができる。又、冷凍室
の近くにスペースがある場合は第２図に示すよう高温側
ユニット２と低温側ユニット３とを並べて配置しても良
い、更にこの低温側ユニット３とクーラユニット４とを
一体的に組み合せ、高温側ユニット２のみを分離しても
良い。

次に、この二元冷凍装置１の運転状態について説明する
。運転開始時は、まず高温側冷凍サイクル５の圧縮機６
を運転させ、第１制御弁１１を開放して、冷媒を第１図
の実線矢印のように流す。

ここで、この運転開始前すなわち前回の運転終了前に第
１制御弁１１を閉じてポンプダウン運転を行なって、蒸
発器１４内の冷媒は凝縮器８等の高圧側管路に回収され
ている。従って、この蒸発器１４内には冷媒がない状態
で運転を開始するため、開始後に流れ込む冷媒によって
この蒸発器１４は早く冷却される。そして、遅延装置３
９によって高温側冷凍サイクル５の圧縮機６の運転開始
から６０秒（所定時間）経過後に、低温側冷凍サイクル
１７の圧縮機１８の運転が開始される。

このように、遅延装置３９によって低温側冷凍サイクル
１７の圧縮機１８の運転開始を、高温側冷凍サイクル５
の圧縮機６の運転開始から遅らせたのは、まず高温側冷
凍サイクル５の蒸発器１４の温度をある程度下げてから
、低温側冷凍サイクル１７の凝縮器２１へ冷媒を流し込
むようにしたかったからである。これによって低温側冷
凍サイクル１７の立ち上り時間が短かくなる。又、高温
側冷凍サイクル５の蒸発器１４の温度はこの所定時間に
よっである程度一定に低下させることができ、これによ
ってカスケードコンデンサ２８の熱交換能力を一定に保
つことができる。この所定時間は二元冷凍装置の大きさ
によって可変される。

上述した遅延装置３９の代りに高温側冷凍サイクル５の
蒸発器１４の出口配管に温度センサを取り付け、このセ
ンサで検出する温度が一定値以下になったら低温側冷凍
サイクル１７の圧縮機１８を運転させることも考えた。

しかしながら、前述したようにポンプダウン運転によっ
て、運転開始直後には蒸発器１４内に冷媒がない状態か
ら一気に冷媒が流れ込むため、この蒸発器１４の出口管
の温度低下が急激に行なわれる（数秒間で３０″Ｃから
０°Ｃへ変化する）。このような急激の変化に温度セン
サがついてゆけず、低温側冷凍サイクル１７の圧縮機１
８の運転開始の指示を的確に行なえないおそれが考えら
れる。

このようにして、２つの圧縮１１６．１８が共に運転を
開始して、低温側冷凍サイクル１７の蒸発器２４が収納
された冷凍室を冷却する。ここで低温側冷凍サイクル１
７において、圧縮機１８から吐出された冷媒はそのほと
んどがカスケードコンダンサ２８内の凝縮器２１で凝縮
液化されるものの、一部のものは液化きれずに凝縮器２
１から流出きれることがある。このような場合のガス冷
媒は第２の受液器３４内の上部に貯められる。そして、
この受液器３４から流出した液冷媒はサブクーラ１３に
流れ込む。このサブクーラ１３で液冷媒は過冷却状態に
まで冷却され、その後第２膨張弁２３で減圧作用を受け
る。このように、凝縮器２１から出た液冷媒を、−旦第
２の受液器３４に貯溜し、サブクーラ１３で過冷却状態
にして第２膨張弁２３へ流すようにしたので、この第２
膨張弁２３にフラッシュガスが流れ込んで、第２膨張弁
２３の作動（弁開度）状態を不安定にするおそれはない
。従って第２膨張弁２３の作動状態を良好にして安定し
た冷凍能力を得ることができる。又、低温側冷凍サイク
ル１７の冷媒（Ｒ−１３）の沸点は高温側冷凍サイクル
の冷媒（Ｒ−２２）の沸点よりも高いので、ガス化しや
すいが、このサブクーラ１３によって冷媒を過冷却状態
にしたことによりこのガス化を未然に助士して、膨張タ
ンク３０を小型化することもできる。

低温側冷凍サイクル１７の圧縮機１８の吸込管には吸込
圧力調整弁２５を設けたので、この調整弁２５の設定値
を例えば５　ｋｇ　／　ｃｍ　”と設定すれば、この調
整弁によって蒸発器２４付近の冷媒圧力が５　ｋｇ　／
　ｃｍ　”以上あったとしても、圧縮機１８に吸込まれ
る冷媒の圧力は５　ｋｇ　／　ｃｍ　”に保たれる。こ
のように圧縮機１８に吸込まれる冷媒の圧力をこの調整
弁２５で所定値以上にならないようにしたので、これに
よって低温側冷凍サイクル１７の高低圧圧力差を速く一
定に保つことができる。尚、このような吸込圧力調整弁
２５を設けないと、高低圧圧力差を一定に保つまでに多
くの時間がかかる。そして、安定した冷凍能力を速やか
に発揮できないおそれがあった。

次に冷却運転を停止すると、第２制御弁３３は開放きれ
（冷却運転中は閉鎖されている）、凝縮器２１内の液冷
媒はバイパス管３１を介して膨張タンク３０へ導びかれ
る。このようにして冷却運転の停止時には低温側冷凍サ
イクル１７の凝縮器２１内の液冷媒を膨張タンク３０や
この冷凍サイクルの低圧側配管に流し込むようにしてい
る。すなわち、運転停止時に低温となっている膨張タン
ク３０や低圧側配管に液冷媒を流し込んで、この液冷媒
の気化を極力抑えるようにしている。これによって運転
停止時の冷媒の圧力上昇は小さく抑えられ、膨張タンク
３０の小型化を図ることができる。

又、冷却運転終了後は低温側冷凍サイクル１７の圧縮機
１８を止めると共に、高温側冷凍サイクル５の圧縮機６
の運転を続け、第１制御弁１１を閉じてポンプダウン運
転を行なう。このポンプダウン運転によってサブクーラ
１３や蒸発器１４内の冷媒は凝縮器８等の高圧側管路に
回収され、蒸発器１４には冷媒がない状態となる。従っ
て、冷却運転を再開する（高温側冷凍サイクル５の圧縮
機６の運転を再開する）と、再開と同時に蒸発器１４へ
流れ込んだ冷媒によって速やかに蒸発器１４が冷却され
る。これによって低温側冷凍サイクル１７の圧縮機１８
の運転を再開して、この圧縮機１８から吐出された冷媒
は凝縮器２１で速やかに冷却される。

尚、上述したサブクーラ１３とカスケードコンデンサ２
８と受液器３４とは第３図に示すような構造としても良
い。すなわち、４０は高温側冷凍サイクル５の蒸発器で
、蛇行状に折り曲げられた第１段目から第３段目の熱交
換バイブで形成きれている。４１は低温側冷凍サイクル
１７の凝縮器で、高温側冷凍サイクル５の蒸発器４０の
熱交換バイブをっつむように成型されている。４２は低
温側冷凍サイクル１７のサブクーラで、第４段目の熱交
換バイブ４３をつつむよう成型されている。４４は第２
０受液器で、この凝縮器４１とサブクーラ４２とをつな
ぐものである。このような構造とすれば、サブクーラ４
２と、カスケードコンデンサ４５と、受液器４４とを略
一体止して、これらをコンパクトにすることができる。

（ト）発明の効果 以上述べたように、本発明は多元冷凍装置の低温側冷凍
サイクルの凝縮器と減圧器との間に、受波器とこの受液
器からの冷媒を冷やす過冷却器とを設けるようにしたの
で、この凝縮器から流れ出た冷媒は、受液器に貯溜され
、その後、この受液器から流れ出した液冷媒が過冷却器
によって冷やされる。従って、多元冷凍装置における低
圧側冷凍サイクルの凝縮器から減圧器に至る配管内での
ガス化を防止して低圧側冷凍サイクルに設けられる膨張
タンクの小型化を図ることができ、又、安定した冷凍能
力を保つことができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は二元冷凍装置の
冷媒回路図、第２図はこの装置の高温側ユニットと低温
側ユニットとを並べた状態を示す斜視図、第３図はこの
装置のカスケードコンデンサと第２の受液器とサブクー
ラとの関係を示す説明図である。 ５・・・高温側冷凍サイクル、　　１３・・・サブクー
ラ（過冷却器）、　１４・・・蒸発器、　１７・・・低
温側冷凍サイクル、　　２１・・・凝縮器、　　３４・
・・（第２の）受液器。 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）高温側冷凍サイクルの蒸発器と、低温側冷凍サイク
   ルの凝縮器とを熱交換させる多元冷凍装置において、こ
   の低温側冷凍サイクルの前記凝縮器と減圧器との間には
   、受液器とこの受液器からの冷媒を冷やす過冷却器とを
   設けたことを特徴とする多元冷凍装置。