JPH0420753A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は多元冷凍装置の低温側冷凍サイクル用作動物質
、及び、その物質を用いた冷凍サイクルの膨張弁開度調
整装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の多元冷凍装置の例を第４図に示した二次冷凍サイ
クルで説明する。二元冷凍サイクルは高温側冷凍サイク
ルと低温側冷凍サイクルからなる。

高温側冷凍サイクルは、高温側圧縮機１．凝縮器２、高
温側膨張弁３．高温側蒸発器（カスケード熱交換器４の
蒸発部）から構成され、低温側冷凍サイクルは、低温側
圧縮機５．低温側凝縮器（カスケード熱交換器４の凝縮
部）、蒸発器７．油分離器８．膨張タンク９．リリーフ
弁１０．キャピラリチューブ１１から構成されている。

カスケード熱交換器４では、高温側冷凍サイクルの蒸発
部と低温側冷凍サイクルの凝縮部の熱交換が行われるこ
とにより、高温側冷凍サイクルと低温側冷凍サイクルが
熱的に結合されている。このような二元冷凍サイクルの
高温側冷凍サイクルにＲ１２゜Ｒ２２，Ｒ５０２（Ｒ２
２とＲ１１５の混合物）、低温側冷凍サイクルにＲ１３
，Ｒ５０３（Ｒ１３とＲ２３の混合物）などのフロンが
冷媒として使われている。フロンにはクロロフルオロカ
ーボン（ＣＦＣ）、ハイドロクロロフルオロカーボン（
ＨＣＦＣ）、ハイドロフルオロカーボン（ＲＦＣ）など
があるが、この中で対流圏に放出されてオゾン層を破壊
し地球環境に悪影響を及ぼすとして特に問題となってい
るのがＣＦＣフロン（水素を含まないフロン）である。

このように二元冷凍サイクルで使用される冷媒は、高温
側冷凍サイクル用ではＲ１２及びＲ５０２中に含まれる
Ｒ１１５が、また、低温側冷凍サイクル用ではＲ１３が
ＣＦＣフロンである。

なお、この種の装置として関連するものには、例えば、
実公平２−５３２０号、特開昭６０−１７８２５９号公
報が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の二元冷凍サイクルには、オゾン破壊に特に影響を
及ぼすとされているＣＦＣフロンが用いられている。こ
のようなＣＦＣフロンを用いない二元冷凍サイクルで所
望の低温を得るには、低温側冷凍サイクル用冷媒として
Ｒ１３，Ｒ５０３と飽和蒸気圧特性ができる限り近い特
性を示す代替フロンを用いることが望まれる。Ｒ１３及
びＲ５０３の標準沸点（大気圧下における沸点）はそれ
ぞれ−８１℃、＋８８．７℃であるが、これに近い標準
沸点をもつ代替冷媒は、周知のように、−８２℃のＲ２
３（ＨＦＣフロン）があるが、これ以外に二元冷凍サイ
クルの低温側冷凍サイクル用冷媒として適当な飽和蒸気
圧特性をもつ代替フロンは見当らない。このように、代
替冷媒として適用できるフロンは少なく限られている。

さらに、Ｒ２３はＨＦＣフロンでありＣＱを含まないの
で冷媒として備えるべき条件である油との相溶性が悪い
などの問題もある。なお、高温側冷凍サイクル用は。

従来から多く使用され実績のあるＲ　２２　（）ＩＣＦ
Ｃフロン）がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記問題、すなわち、従来から二元冷凍サイ
クルの低温側冷凍サイクル用冷媒として使用されている
Ｒ１３等と飽和蒸気圧特性が同じような冷媒は、その安
全性、安定性、毒性などを考慮するとごく限られており
Ｒ２３くらいしかないことを解決するために、二元冷凍
サイクルの高温側冷凍サイクル用冷媒として使用できる
ＣＦＣフロン以外の比較的低圧の冷媒と不活性ガスを混
合してこれを二元冷凍サイクルの低温側冷凍サイクル用
冷媒として用いるようにした。

さらに、この二元冷凍サイクルの低温側冷凍サイクルの
膨張装置として電子膨張弁を用い、この電子膨張弁の開
度の調整を蒸発器出口圧力と蒸発器出口に設置した感温
筒内圧力の差に応して行うようにした。

さらには、低温側冷凍サイクルを循環する不活性ガスの
割合を変えるために、膨張弁入口側にタンクを設けた。

〔作用〕

多元冷凍サイクルの高温側冷凍サイクルで使用可能な冷
媒と不活性ガスの混合物質は、不活性ガを用いない場合
よりも飽和蒸気圧が高くなる。これは冷媒蒸気圧に不活
性ガス圧力がプラスされるためで、この不活性ガスの割
合によって蒸気圧特性が異なる。従って、従来の二元冷
凍サイクルの低温側冷凍サイクルに用いられている冷媒
の飽和蒸気圧特性と同じような特性が低温側冷凍サイク
ルで得られるように不活性ガスを混合してやれば。

所望の低温が得られる。

このように、不活性ガス混入冷媒を用いた冷凍サイクル
では、冷凍サイクル運転中、蒸発器出口で常に、不活性
ガス割合が一定であるとは限らないので、ここでの過熱
度を検出するのが難しいため、従来のように蒸発器出口
での過熱度が一定となるような膨張弁開度制御法を用い
ることはできない。このため、本発明のように、感温筒
に封入される物質が低温側冷凍サイクルの蒸発器出口を
流れる作動物質と同じでなければ必ず蒸発器出口の圧力
と感温筒内圧力は異なるので、その差を用いて電子膨張
弁開度を調節することができる。

また、膨張弁の冷媒入口側に設置したタンクにたまる不
活性ガス量を調整することによって低温側冷凍サイクル
を循環する不活性ガスの割合を変えることができるので
、この調整により蒸発器での発生温度の調節が可能とな
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例について説明する。

本発明は、二次冷凍サイクルの低温側冷凍サイクル用冷
媒として、高温側冷凍サイクルで使用可能な冷媒と不活
性ガスを混合した物質が用いられている。例えば、高温
側冷凍サイクルにはＲ２２、低温側冷凍サイクルにはＲ
２２とアルゴンガスの混合物質が考えられる。このよう
に冷媒Ｒ２２に不活性ガスアルゴンを混入した場合には
、飽和蒸気圧特性は第５図に示されているようになる。

すなわち、同一温度では、Ｒ２２とアルゴンを混合した
場合の方がＲ２２よりも飽和蒸気圧が高くなる。従って
二元冷凍サイクルの低温側冷凍サイクル中に、従来よく
使用されているＲ１３と同じような飽和蒸気圧特性が得
られるようにＲ２２中にアルゴンガスを封入すれば、Ｃ
ＦＣフロンであるＲ１３を用いなくても所望の低温が得
られる。

第１図の実施例は、電子膨張弁６を用いた低温側冷凍サ
イクルの蒸発器出口側配管に蒸発器出口圧力検出用の第
一の圧力センサ１２、及び、感温筒１３が取付けられて
おり、さらに感温筒１３内圧力検出用圧カセンサ１４．
第一の圧力センサ及び第二の圧力センサからの信号をと
り込み、蒸発器出口圧力と感温筒１３内圧力の差に応じ
て電子膨張弁６の開度を変えるための電子膨張弁コント
ローラ１５を備え、不活性ガス混入冷媒を用いた低温側
冷凍サイクルをもつ二元冷凍サイクルである。なお、こ
の二元冷凍サイクルの高温側冷凍サイクルにはＲ２２が
、低温側冷凍サイクルにはＲ２２とアルゴンガスが封入
され、感温筒１３内にはＲ２２が封入されているとする
。いま運転中の低温側冷凍サイクルの蒸発器出口の圧力
をＰｅ。

温度をｔｅとすると第５図に示されているように感温筒
１３内圧は温度ｔｅにおけるＲ２２の飽和圧力Ｐｓとな
る。この圧力Ｐｓは、蒸発器出口の温度が蒸発器出口の
圧力と同圧力におけるＲ２２の飽和温度より大きくなっ
た場合に蒸発器出口圧力Ｐｅより大きくなる。この状態
では蒸発器出口での冷媒過熱度がかなり大きい状態であ
るため、蒸発器を有効利用するにはできる限り蒸発器出
口での冷媒過熱度を小さくするのが望ましい。従って、
蒸発器出口温度は蒸発器出口圧力と同圧力におけるＲ２
２の飽和温度より小さくなる範囲で、蒸発器出口圧力と
感温筒内圧力の差が一定となるように電子膨張弁開度を
制御するのが好ましい。

このように不活性ガスを混入した低温側冷凍サイクルで
は、蒸発器出口圧力と蒸発器出口に取付けた感温筒内圧
力を用いれば電子膨張弁の開度制御をすることができる
。

次に、第３図に示されている実施例について説明する。

これは低温側膨張弁６の冷媒入口側に低温側冷凍サイク
ルを循環する不活性ガスの割合を調節するための不活性
ガス量調整タンク１６である。このタンク１６は第３図
に示されているように、調整タンク１６の上部と膨張弁
６の冷媒出口側が流量調整弁１７を介して配管接続され
、調整タンク１６の下部は膨張弁６の冷媒入口側と配管
接続されている。また、調整タンク１６の中間がカスケ
ード熱交換器４が配管接続されている。このようにする
と低温側冷凍サイクル内をこ封入された不活性ガスは、
流量調整弁１７を全開にすると調整タンク１６に多くな
る。流量調整弁１７を開いていくと調整タンク１６内に
たまっていた不活性ガスが低温側冷凍サイクルを循環し
はじめ、その割合が多くなる。この流量調整弁１７の開
度を適当に変えることにより、低温側冷凍サイクルを循
環する作動物質の飽和蒸気圧特性が変わるので、蒸発器
９での発生温度を大幅に変えることができる。

なお、この実施例は二元冷凍サイクルをとり上げて説明
したが、本発明の三元冷凍サイクルなどにも適用できる
ものである。また、不活性ガスは窒素ガス、ヘリウムガ
ス等でもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、多元冷凍サイクルの低温側冷凍サイク
ル用冷媒として、高温側冷凍サイクルで使用される比較
的低圧の冷媒も利用できるので。

オゾン破壊で問題となっているＣＦＣフロンであるＲ１
３等の代替フロンの選定枠が増える。すなわち、Ｒ１３
と標準沸点の近いＲ２３以外の比較的標準沸点の高い冷
媒Ｒ２２（ＨＣＦＣフロン）。

Ｒ１３４ａ　（ＨＦＣフロン）等の利用が可能となつた
。

また、低温側冷凍サイクル内に比較的低圧の冷媒と不活
性ガスを用い、不活性ガスの割合を適当に調整すること
により蒸発器での発生温度を大幅に変えることができる
。これによって、一つの多元冷凍装置で得られる温度幅
が拡大できる。

さらに、不活性ガスを混入した低温側冷凍サイクルの蒸
発器出口の圧力と蒸発器出口に設けた感温筒内の圧力の
差に応じて、電子膨張弁の開度の調節することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である二元冷凍サイクル系統
図、第２図は本発明の他の実施例である二元冷凍サイク
ル系統図、第３図は第２図に示した本発明による二元冷
凍サイクルの要部説明図、第４図は従来の二元冷凍サイ
クル系統図、第５図は飽和蒸気圧特性図である。 １・・・高温側圧縮機、２・・・凝縮器、３・・・高温
側膨張弁、４・・・カスケード熱交換器、４・・・低温
側圧縮機、６・・・低温側膨張弁、７・・・蒸発器、１
２・・・第一の圧力センサ、 １３・・・感温筒。 １４・・・第二の圧力セン サ、 １５・・・電子膨張弁コントローラ、 １６・・・調整 葛 纂 凶 羊 凹 ｅ １度

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高温側冷凍サイクルの蒸発部と低温側冷凍サイクル
   の凝縮部が熱交換するためのカスケード熱交換器で前記
   高温側冷凍サイクルと前記低温側冷凍サイクルとが結合
   される多元冷凍装置において、 前記高温側冷凍サイクルで使用可能な冷媒と不活性ガス
   の混合物質を、前記低温側冷凍サイクルの作動媒体とし
   て用いてなることを特徴とする多元冷凍装置。