JPH04198670A - 流体の冷却方法およびその装置 - 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】 こ産業上の利用分野〕 本発明は冷却しようとする流体を−７０〜−１Ｏ°Ｃの
範囲で冷却する、低元側を単段圧縮機、高元側を二段圧
縮機で構成して成る二元冷凍装置を用いて該流体の温度
により低元側圧縮機の停止を確認後、高元側蒸発器を低
元側蒸発器に切り換えて該流体を冷却する流体の冷却方
法およびその装置に関するものである。

〔従来の技術］ 従来、冷却しようとする流体を常温から−７０〜−１０
℃の範囲まで冷却する超低温冷凍方法および装置には、
該流体を常温から冷却して−３０〜−１０°Ｃ程度の温
度が要求される場合には単段圧縮方式又は二段圧縮方式
を用い、−７０〜−３０°Ｃの温度が要求される場合に
は二元冷凍方式を採用し、ンステムの異なる二種類の冷
凍装置を設備している。藪た−７０〜−３０″Ｃの温度
を得る場合、常温から二元冷凍装置を用いて冷却する方
法も考えられる。

〔発明が解決しようとする課題］ 従来の超低温冷凍方法および装置には冷却を目的とする
流体の温度が−３０〜−１Ｏ°Ｃの範囲においては二段
圧縮万代を用いて、該温度が−７０〜−３０°Ｃの範囲
においては二元冷凍方式を用いることとなり、該流体の
温度が−７０〜−１０’Ｃという広範囲に亘る冷凍装置
にはシステムの異なる二種類の冷凍装置を設備する必要
があるため、過分な設備投資を必要としたり、該装置の
据付面積を広大に要する等の欠点があった。

また−７０〜−５０°Ｃの流体温度を得るために常温か
ら二元冷凍装置を用いるものでは、冷却を目的とする流
体の温度障子に無駄な時間がかかり、エネルギーロスを
伴うという欠点がある。

本発明は−７０〜−１Ｏ°Ｃに亘る広範囲な冷凍温度に
対して一種類の冷凍装置でよく、過分な設備投資および
広大な据付面積等を必要とせず、省エネルギー化が可能
な流体の冷却方法およびその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］ 前記目的を達成するために、本発明は低元側に単段圧縮
機、高九側６二二段圧縮機を用いて二元冷凍装置を構成
し、低元側蒸発器と並設した高元側蒸発器とに低温区画
内で被冷却流体（空気）を送風する送風機を共通に設け
、該低温区画内に温度センサを設け、低温区画内におけ
る被冷却流体（空気−の温度が約−３０〜−２５′Ｃよ
り高い場合は、高元側二段圧縮機を運転し、高元側の冷
媒を循環して前記高元側蒸発器で流体を冷却し、該流体
の温度が−３０〜−２５°Ｃまで冷却障子した時点で、
前記高元側の冷媒が高元側蒸発器を通過する管路を閉塞
し、低元側のカスケードコンデンサを通過ずる管路を開
放し、低元側圧縮機の停止を確認後、低元側圧縮機を運
転して低元側の冷媒を低元側蒸発器りこ給液して流体を
冷却するようにしたものである。

また、流体の温度が−３０〜−１０’Ｃでよい場合は、
高元側圧縮機のみを運転して高元側冷媒を高元側蒸発器
に給液して流体を冷却するようにしたものである。

５作用〕 低元側に単段圧縮機１を用い、高元側に二段圧縮機Ｓを
用いて二元冷凍装置２８を構成し、冷却を目的とする流
体の温度が約−３０〜−２５℃より高い状態では、膨張
弁５．１９および弁２２を閉塞し、膨張弁３０および弁
３４を開放し、低元側の圧縮機１を停止したまま、高元
側の二段圧縮機８を作動しく二段圧縮方式）、高元側冷
媒を高元側蒸発器３２に給液して高元側蒸発器３２を稼
働するから、第４図りこ示す通常の二元冷凍装置２８の
運転、即ち高元側二段圧縮機８を作動し１、高元側冷媒
をカスケードコンデンサ３の伝熱管２０内ムこ給液して
４環し、−方低元側圧縮機１０作動ムこより低元側圧に
６機１からの圧縮ガスをカスケードコンデンサ３で冷却
液化し、低元側蒸発器６に給液して流体を冷却する運転
より成績係数（ＣＯＰ）をより高く維持することができ
る。また冷却を目的とする流体の温度が約−３０〜−２
ｖ’ＣｅＫり低い状態てに、膨張弁３０；ｒ：；まび弁
３４を閉塞し、弁２２を開放し、低元側圧縮機１の停止
を確認後、低元側圧縮機１を作動させ、中間冷却器１７
で過冷却された高元側冷媒をカスケードコンデンサ３内
の伝熱管２０中に膨張弁１９を介して供給し、低元側冷
媒を冷却液化し、低元ｔｌｌ！ｌ蒸発器１に給液して低
元側蒸発器６を稼働する通常の二元冷凍装置の運転とし
たから、前記低元側圧縮Ｉ！】を停止し、高元側圧縮機
８のみを作動する二段圧縮方式より、第２図に示すよう
にＣＯＰを高く維持することができる。

このように冷却を目的とする流体の温度により低元側圧
縮機１の停止を確認後、高元側蒸発器３２と低元側蒸発
器６との作動の切り換えを行うことにより、流体温度を
所望する超低温まで一気に熱効率を高く維持して冷却で
きるから、省エスルギーであると共に冷却時間も併せて
短縮でさる。

また、流体温度が−３０〜−１Ｏ°Ｃの範囲にる′いて
は、高元側の二段圧縮機８のみの作動だけを行う二段圧
縮方式により目的が達成できる。

〔実施例］ 今、ここに本発明実施の一例を示した添付図面について
詳説する。

第１図は低元側に単段圧縮機、高元側に二段圧縮機を用
いて構成した二元冷凍装置の配管系統図で、第２図は二
段圧縮方式と高元側に二段圧縮機を用いた二元冷凍方式
との冷却を目的とする流体温度に対する成績係数（ＣＯ
Ｐ）を示した図表で、第３図は低元ｔ！ｌ！Ｈ発器と高
元側蒸発器との風路を別とし、共通の送風機により別々
に送風する実施例を示す概略構図である。

１は単段圧縮機より成る低元側圧縮機で、電動Ｍ４０に
より駆動されるものである。２は吐出ガス管で、一端を
該圧縮４ｉ１１の吐出側に連結し、他端をカスケードコ
ンデンサ３に連結したものである。４はカスケードコン
デンサ３に連結した高圧液管で、低元側圧縮機１で圧縮
された高圧の低元側冷媒ガスを刀スケートコンデンサ３
内に配管した後述の伝熱管２０内で膨張弁１９を介して
蒸発する高元側冷媒液により冷却して液化した高圧の低
元側冷媒液を膨張弁５を介して低元側蒸発器６に導くも
のである。７は吸入ガス管で、低元側蒸発器６の他端と
低元側圧縮Ｉ！１の吸入側とを連結するもので、該蒸発
器６で蒸発した低圧の低元側冷媒ガスを低元側圧縮ｖ＆
ｌに戻すものである。８は高元側二段圧縮機で、それぞ
れ電動＠４１で駆動される低段圧縮機９と高段圧縮ｌ！
１０で構成されるものである。

１１は高圧ガス管で、該二段圧縮機８の高段圧縮１１１
０の吐出側と大気または水で冷却して液化する高元側凝
縮器１２とを連結するものである。１３は高圧液管で、
該凝縮器１２の他端と高元側受液器１４とを連結するも
のである。１７は中間冷却器で、二段圧縮機８の低段圧
縮機９の吐出側と中段ガス吐出管２６で、また高段圧縮
ｌ！１０の吸入側と中段ガス吸入管２７でそれぞれ連結
したもので、該受液器１４よりの高圧液主管１５を分岐
した高圧液管２４に中間冷却器用膨張弁１６を介して高
元側冷媒の低圧液を供給し、該高圧液主管１５を介して
該中間冷却器１７内に設備した伝熱管２５中を逼る高元
側高圧冷媒液を過冷却すると共に、低段圧縮機９の吐出
側に中段ガス吐出管２６を介して取り入れた中圧の高元
側冷媒ガスと混合して冷却し、該中圧の冷媒ガスと共に
前記膨張弁１６を介して供給した高元側冷媒の低圧液が
蒸発した低圧冷媒ガスを中段ガス吸入管２７で高段圧縮
機１０の吸入側に連結供給するものである。１８は高圧
液主管で、中間冷却器１７の伝熱管２５の他端と前記カ
スケードコンデンサ３内に設備した伝熱管２０の一端と
を膨張弁１９を介して連結するものである。２１は低圧
ガス管で、一端を該伝熱管２０の他端と連結したもので
、該低圧ガス管２１の他端に電動弁または電磁弁等の弁
２２を介在して前記低段圧縮機９の吸入側とを低圧ガス
管２３で連結したものである。２８は前記低元側圧縮Ｉ
ｌｌと高元側二段圧縮機８とで構成した二元冷凍装置で
ある。２９は高圧液分岐管で、前記中間冷却器１７とカ
スケードコンデンサ３とを連結する高圧液主管１８の膨
張弁１９手前より分岐したもので、先端に膨張弁３０を
介して導管３１により、前記低元側蒸発器６と並設した
高元側蒸発器３２と連結したものである。３３は該高元
側蒸発器３２の他端に連結した低圧ガス管で、先端に電
動弁または電磁弁等の弁３４を介して導管３５で前記低
段圧縮機９の吸入側の低圧ガス管２３に合岐したもので
ある。３６は温度センサで、並設された低元側蒸発器６
と高元側蒸発器３２とを囲繞する前記流体を冷却する低
温区画３９に設備したもので、該蒸発器６，３２に共通
な送風機４２を設備し、流体としての空気の温度を検出
し、リード線３８を介してコントローラ３７に結線した
ものである。３８ａはコントローラ３７と低元側圧縮機
１と高元側二段圧縮機８との電動機４０．４１とを、ま
た低元側蒸発器６、カスケードコンデンサ３の伝熱管２
０および高元側蒸発器３２の膨張弁５，１９．３０、該
伝熱管２０と高元側蒸発器３２との他端のそれぞれ低圧
ガス管２１、低圧ガス分岐管３３の先端の電動弁または
電磁弁等の弁２２．３４とをコントローラ３７にそれぞ
れ結線するリード線である。ここで該コントローラ３７
は温度センサ３６で冷却する空気の温度が−３０〜−２
５°Ｃより高いことを検知すると、膨張弁１９および弁
２２を閉塞し、膨張弁３０および弁３４を開放すると共
に電動機４１を駆動し、膨張弁５を閉塞するよう制御す
るものである。すると、低元側圧縮機１は停止したまま
、高元側の二段圧縮機８を作動し、二段圧縮方式により
高元側冷媒を高圧液主管１８より高圧液分岐管２９を経
て膨張弁３Ｑによって減圧して高元側蒸発器３２に給液
し、高元側蒸発器３２を稼働する。これにより空気の温
度が−３０〜−２５°Ｃより低くなると、温度センサ３
６で検知し、コントローラ３７は膨張弁３０および弁３
４を閉塞し、膨張弁１９および弁２２を開放し、電動機
４０の停止を確認後、該電動機４０を駆動して低元側圧
縮機ｌを起動した後、膨張弁５を徐々に開放するよう制
御する。すると、高元側二段圧縮４ｉ！８を作動したま
ま、低元側圧縮機１を作動し、通常の二元冷凍装置２８
の運転となり、前記中間冷却器１７で過冷却された高元
側冷媒液は高圧液主管１８を経て膨張弁１９でカスケー
ドコンデンサ３内の伝熱管２０中において膨張し、カス
ケードコンデンサ３内で低元側圧縮機１により圧縮され
た低元側冷媒を液化し、該低元側冷媒は高圧液管４を経
て膨張弁５により減圧して低元側蒸発器６に給液し、低
元側蒸発器６を稼働するように切り換えるものである。

高元側圧縮機および低元側圧縮機の電動機出力は省エネ
的に超低温用として最小限度の出力とするが、押除量比
（高元側低段ピストン押除量を低元側ピストン押除量で
除した値）を比較的大きくし前記の空気温度−３０〜−
２５°Ｃで通常の２元冷凍装置２８の運転に切替えた際
、特に低元側圧縮機のオーバーロートを防止するため、
予め膨張弁５に付設した最大運転圧力（ＭＯＰ）制御機
構（図示せず）により低元側蒸光温度の最大限度に押さ
えて空気温度が一４０°Ｃになるまで運転を行えば充分
目的を果たすことができる。４４は前記低温区画３９内
に設備したケーシングで、上端の縮小部に送風＠４２を
設け、第３図に示すように並列した低元側蒸発器６と高
元側蒸発器３２を左右にずらせ、中央隔壁４４ａｒ該蒸
発器６，３２にそれぞれ独立した風路４６．４７を設け
たものである。４３は中央隔壁４４ａに支点４５を設け
て設備したダンパーで、ケーシング４４上端に設備した
共通の送風機４２による送風を低元側蒸発器６、高元側
蒸発器３２のそれぞれ独立した風路４６゜４７に切換え
るものである。

〔発明の効果〕

本発明は以上のような構成を有するから、被冷却流体（
空気）の温度が−７０〜−１０°Ｃのような広範囲に亘
り冷却するに当たって、低元側を単段圧縮機ｌ、高元側
を二段圧縮機８で構成する二元冷凍装置を用い、低元側
蒸発器６と高元側蒸発器３２を並設した低温区画３９の
空気温度が−３０〜−２５°Ｃ以上の場合、該温度を温
度センサ３６で検出し、コントローラ３７に伝送して高
元側二段圧縮機８を作動する二段圧縮方式の運転を行い
、高元側蒸発器３２により低温区画３９内の空気を冷却
する。ここで二元圧縮方式の場合はピストン押除量比に
よって異なるが、ピストン押除量比を比較的大きく設定
し、空気温度が略−３０〜−２５°Ｃで低元圧縮機１の
電動機４０のオーバーロードを防止するため、低元側蒸
発温度を膨張弁５に付設した最大運転圧力（ＭＯＰ）制
御機構（図示せず）により最大限度に押さえて、空気温
度が略−４０°Ｃまで短時間冷却を行い、通常の二元冷
凍装置２８の運転を行うようにした力）ら、第２図りこ
示ずように−３０〜−１０“Ｃおよび−７０〜−３０゛
Ｃの温度範囲において成績係数（ＣＯＰ）を常に高く維
持でき、−７０〜−１０″Ｃに亘る広範囲超低温温度帯
の冷凍装置として一機種で対応でき、過分の設備投資や
広大な据付面積等を必要とセす、安価にかつコンパクト
に設置が可能となる。ま７こ、常にＣＯＰを高く維持で
きるから省エネルギー化を達成することができる。

さらに、広範囲超低温温度帯の凍結が、特にハツチ式凍
結装置においては、−機種で行えることにより、冷却時
間の大幅な短縮化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明実施の一例を示したもので、第１図は
低元側に単段圧縮機、高元側に二段圧縮機を用いた二元
冷凍装置の配管系統図、第２図は冷却しようとする空気
温度に対する高元側の二段圧縮機のみを作動する二段圧
縮方式と低元側の単段圧縮機および高元側の二段圧縮機
を作動する二元冷凍方式との成績係数（ＣＯＰ）を示し
た図表、第３図は低元側蒸発器と高元側蒸発器とに独立
した風路を設け、共通の送風機により送風する実施例を
示した機構概略図、第４図は従来の二元冷凍装置の配管
系統図である。 １−低元側圧縮機、２−吐出ガス管、３−カスケードコ
ンデンサ、４−高圧液管、５−膨張弁、６−低元側蒸発
器、７−吸入ガス管、８−高元側二段圧縮機、９−低段
圧縮機、１〇−高段圧縮機、】ｌ−高圧ガス管、１２−
高元側凝縮器、１３−高圧液管、１４−高元側受液器、
１５−・・高圧液主管、１６−中間冷却器用膨張弁、１
７−中間冷却器、１８−・高圧液主管、１９−膨張弁、
２０−伝熱管、２１−低圧ガス管、２２−弁、２３−低
圧ガス管、２４−高圧液管、２５−・−伝熱管、２６−
中段ガス吐出管、２７・−中段ガス吸入管、２８−二元
冷凍装置、２９−高圧液分岐管、３０−膨張弁、３１−
導管、３２−・−高元側蒸発器、３３−低圧ガス管、３
４−・−弁、３５−導管、３６−・・温度センサ、３７
−コントローラ、３８．３８ａ−リート線、３９−低温
区画、４０．４１・−電動機、４２−送風機、４３−ダ
ンバー、４４・−ケーシング、４４ａ−中央隔壁、４５
−支点、４６．４７−風路。 第１図 ３８ａ 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却を目的とする流体を、高元側を二段圧縮機で構
   成した二元冷凍装置により冷却することを特徴とする流
   体の冷却方法。 ２、高元側を二段圧縮機で構成した二元冷凍装置により
   、冷却を目的とする低元側で冷却する流体を、該流体の
   温度と低元側圧縮機が停止している条件により、低元側
   蒸発器に並設した高元側蒸発器を用いて高元側冷媒を循
   環し、二段圧縮方式による二段圧縮冷凍装置により冷却
   することを特徴とする流体の冷却方法。 ３、低元側圧縮機として単段圧縮機を設け、該圧縮機の
   高圧側にカスケードコンデンサ、膨張弁および低圧側に
   低元側蒸発器を順次連結設備し、該低元側蒸発器の他端
   を低元側圧縮機の吸入側に連結し、高元側圧縮機として
   二段圧縮機を設け、該圧縮機の高段圧縮機側の吐出口に
   高元側凝縮器、高元側受液器を順次連結設備し、該受液
   器に膨張弁を介して中間冷却器を設け、該冷却器内に伝
   熱管を設け、該伝熱管の一端を前記受液器に連結し、該
   伝熱管の他端に膨張弁を介して前記力スケードコンデン
   サ中を通る伝熱管、弁を順次連結設備して二段圧縮機の
   低段圧縮機側の吸入口を連結し、該低段圧縮機側の吐出
   口と高段圧縮機側の吸入口とを中間冷却器に連結して二
   元冷凍装置とし、前記中間冷却器の伝熱管他端と該膨張
   弁間に高圧液分岐管を設け、膨張弁を介して前記低元側
   蒸発器と並設した高元側蒸発器を連結設備し、該高元側
   蒸発器の他端に弁を介して前記高元側二段圧縮機の低段
   圧縮機側の吸入口に連結し、前記並設した低元側蒸発器
   と高元側蒸発器を設備した低温区画に温度センサを設け
   、冷却を目的とする流体の温度によって低元側圧縮機の
   停止を確認して高元側と低元側との冷媒を前記二つの弁
   により切り換え、高元側蒸発器に変えて低元側蒸発器に
   給液することを特徴とする流体の冷却装置。 ４、並設した低元側蒸発器と高元側蒸発器とに共通の送
   風機を設け、該送風機と低元側蒸発器および高元側蒸発
   器間にそれぞれ独立した風路を設け、該送風機と各風路
   を連結するダンパーを設け、流体を冷却することを特徴
   とする請求項３記載の流体の冷却装置。 ５、並設した低元側蒸発器と高元側蒸発器を設備した低
   温区画に設けた温度センサの信号により作動するコント
   ローラを設け、カスケードコンデンサ、低元側蒸発器、
   高元側蒸発器のそれぞれの膨張弁、カスケードコンデン
   サの伝熱管と高元側蒸発器との他端と高元側二段圧縮機
   の低段圧縮機側の吸入口との間に介在した弁および低元
   側圧縮機と高元側二段圧縮機との電動機を前記コントロ
   ーラと連結するリード線を設け、前記低温区画の冷却を
   目的とする流体の温度により低元側圧縮機の停止を確認
   後、高元側蒸発器を低元側蒸発器と変換して該流体を冷
   却することを特徴とする請求項３記載の流体の冷却装置
   。