JPH04222355A - ブライン冷却用２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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はブライン冷却用２元冷凍
装置に係り、特にプルダウン時における能力を向上した
ブライン冷却用２元冷凍装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】冷熱衝撃試験装置などにおいて使用され
るブラインは、例えば−８０℃程度の超低温のものであ
り、通常、高段側冷凍サイクルと低段側冷凍サイクルと
をカスケードコンデンサで熱的に結合した、いわゆる２
元冷凍装置を用いて冷却される。

【０００３】図３にはこの種のブライン冷却用２元冷凍
装置を概要示している。同図において、（Ａ）はＲ−１
１３などの高沸点冷媒を封入した高段側冷凍サイクルで
あり、高段側圧縮機（１）を吐出した冷媒ガスは、凝縮
器（２）で液化し、高段側膨張弁（３）を通り、カスケ
ードコンデンサ（４）を冷却した後、高段側圧縮機（１
）に吸入される。

【０００４】一方、（Ｂ）はＲ−１３などの低沸点冷媒
を封入した低段側冷凍サイクルであり、低段側圧縮機（
５）を吐出した冷媒ガスは前記カスケードコンデンサ（
４）に入り、ここで前記高段側冷凍サイクルの冷媒と熱
交換し、冷却されて液化され、低段側膨張弁（６）を経
てクーラ（７）を超低温に冷却する。

【０００５】ここで前記クーラ（７）にはブライン槽（
８）よりポンプ（９）で液送されたブラインが流れてお
り、低段側冷凍サイクル（Ｂ）の前記冷媒と熱交換し、
所定の超低温度に冷却される。

【０００６】ところでこのようにブラインをかなり低い
温度に冷却する２元冷凍装置では、その低段側冷凍サイ
クル（Ｂ）の熱交換器は、当所からその低い温度に対応
することを目的にその設計がなされている。このため、
プルダウン時、まだ常温以上にあるブラインに対して前
記２元冷凍装置をそのまま運転すると、低段側圧縮機（
５）が動力オーバーし、過負荷状態となってしまう。

【０００７】そこでこのようなことを防ぐため、一般に
は前記低段側膨張弁（６）に開度制限機構を設け、プル
ダウン時、所定温度までは低段側圧縮機（５）の流量を
制限し、一定以上の能力を発揮させないようにすること
が行われている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしこのように低段
側圧縮機の流量を制限したとしても、元来、超低温用の
冷凍機である２元冷凍装置においてこのように常温以上
域から超低温域までプルダウンするのはやはり無理があ
り、プルダウンにかなりの時間を要したり、圧縮機、そ
の他の機器の損傷を招いたりする問題があった。

【０００９】なお、実開昭６３−６６７６８号公報には
、上記の如き不都合を解決した２元冷凍装置が提案され
ているが、これは、冷凍庫内を冷却するためのものであ
って、ブライン冷却用のものではない。

【００１０】本発明はかかる実状に鑑みて、ブライン冷
却時のプルダウン能力を改善したブライン冷却用２元冷
凍装置を提供し、上記問題の解決を図ることを目的とす
るものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】即ち、上記目的に適合す
る本発明の特徴は、高段側圧縮機（１）と凝縮器（２）
と高段側膨張弁（３）及びカスケードコンデンサ（４）
を順次配管接続し、該配管中を高沸点冷媒が循環する高
段側冷凍サイクル（Ａ）と、低段側圧縮機（５）と前記
カスケードコンデンサ（４）と低段側膨張弁（６）及び
クーラ（７）を順次配管接続し、該配管中を低沸点冷媒
が循環する低段側冷凍サイクル（Ｂ）と、ブライン槽（
８）とポンプ（９）及び前記クーラ（７）を順次配管接
続し、該配管中をブラインが循環するブライン循環路（
Ｃ）とからなるブライン冷却用２元冷凍装置において、
前記高段側冷凍サイクル（Ａ）の凝縮器（２）出口側配
管から分岐し、第２の高段側膨張弁（１０）及び第２の
クーラ（１１）を経て前記高段側圧縮機（１）へ戻る第
２の高段側冷凍サイクル（Ａ−２）を切換弁機構（１３
），（１４）を介して前記高段側冷凍サイクル（Ａ）と
切換可能に、又、前記ブライン槽（８）からポンプ（９
）及び前記第２のクーラ（１１）を経てブライン槽（８
）へ戻る第２のブライン循環路（Ｃ−２）を切換弁機構
（１５），（１６）を介して前記ブライン循環路（Ｃ）
と切換可能に夫々設けると共に、ブライン温度が所定温
度以上のときは前記第２の高段側冷凍サイクル（Ａ−２
）と前記第２のブライン循環路（Ｃ−２）とを切換選択
し、かつ高段側圧縮機（１）及びポンプ（９）を駆動し
てブラインを冷却し、一方、ブライン温度が前記所定温
度以下のときは、前記高段側冷凍サイクル（Ａ）及び前
記ブライン循環路（Ｃ）を切換選択し、かつ、高段側圧
縮機（１）、低段側圧縮機（５）及びポンプ（９）を駆
動して２元冷凍システムによりブラインを冷却するよう
制御することである。

【００１２】また、請求項２記載の発明は前記同様のブ
ライン冷却用２元冷凍装置において、ブライン循環路を
簡略化したものであり、前記高段側冷凍サイクル（Ａ）
の凝縮器（２）出口側配管から分岐し、第２の高段側膨
張弁（１０）及び第２のクーラ（１１）を経て前記高段
側圧縮機（１）へ戻る第２の高段側冷凍サイクル（Ａ−
２）を切換弁機構（１３），（１４）を介して前記高段
側冷凍サイクル（Ａ）と切換可能に設ける一方、前記ブ
ライン循環路（Ｃ）中において、前記第２のクーラ（１
１）を前記クーラ（７）に対して直列に接続すると共に
、ブライン温度が所定温度以上のときは前記第２の高段
側冷凍サイクル（Ａ−２）を切換選択し、かつ高段側圧
縮機（１）及びポンプ（９）を駆動してブラインを冷却
し、一方、ブライン温度が前記所定温度以下のときは、
前記高段側冷凍サイクル（Ａ）を切換選択し、かつ、高
段側圧縮機（１）、低段側圧縮機（５）及びポンプ（９
）を駆動して２元冷凍システムによりブラインを冷却す
るよう制御することを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記の如く構成されたブライン冷却用２元冷凍
装置は、請求項１記載のものにおいては、ブライン温度
が所定温度、例えば−３０℃以上の場合、第２の高段側
冷凍サイクルと第２のブライン循環路とが運転されるた
め、ブラインに対する冷却は第２の高段側冷凍サイクル
のみによって行われることとなる。従ってそれは実質上
、高沸点冷媒による一元冷凍サイクルであり、常温域か
ら低温域へのプルダウン運転を無理なく短時間で可能に
する。

【００１４】そしてブラインが冷却され、前記−３０℃
になったとき、前記第２の高段側冷凍サイクルは通常の
２元冷凍サイクルにおける高段側冷凍サイクルに切り換
えられ、同時に低段側冷凍サイクルが運転され、さらに
はブライン循環路も前記第２のブライン循環路から通常
のそれに切換えられる。

【００１５】即ち、このときは通常の２元冷凍シテスム
によりブラインの冷却がなされて、ブラインは−３０℃
の低温域から超低温域に冷却される。

【００１６】なお、請求項２記載のものにおいても、前
記同様、当初常温域から低温域までは第２の高段側冷凍
サイクルによる一元冷凍サイクルにより、冷凍運転し、
その後低温域から超低温域までは通常の２元冷凍サイク
ルにより冷凍運転するのであるが、この場合、ブライン
循環路中のブラインは、請求項１記載のものと異なり、
第２の高段側冷凍サイクルにおける第２のクーラにも、
又低段側冷凍サイクルにおけるクーラにも常に流れてお
り、従って所定温度時に至っても、ブライン循環路を切
換える操作は必要ない。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説
明する。

【００１８】図１は本発明の請求項１に記載したブライ
ン冷却用２元冷凍装置の一実施例を示す配管系統図で、
図において、前記図３と同様の要素は同番号を付してい
る。

【００１９】同図１において、高段側冷凍サイクル（Ａ
）は例えばＲ−１１３のような高沸点冷媒が封入され、
前記したように高段側圧縮機（１）、凝縮器（２）、高
段側膨張弁（３）及びカスケードコンデンサ（４）を順
次配管接続して形成されているが、さらに本発明の特徴
として前記高段側冷凍サイクル（Ａ）の凝縮器（２）の
出口側配管から配管（１２）が分岐し、第２の高段側膨
張弁（１０）及び第２のクーラ（１１）を経て前記高段
側冷凍サイクル（Ａ）の高段側圧縮機（１）吸入側配管
に接続され、これが第２の高段側冷凍サイクル（Ａ−２
）を形成している。

【００２０】前記高段側冷凍サイクル（Ａ）と前記第２
の高段側冷凍サイクル（Ａ−２）とは、両者の分岐部近
くにおいて、夫々の配管に切換弁機構（１３）（以下高
段液電磁弁（１３）という）、切換弁機構（１４）（以
下第２の高段液電磁弁（１４）という）が設けられ、こ
れら電磁弁（１３），（１４）の開閉動作によって適宜
切換えられるようになっている。

【００２１】次に、低段側冷凍サイクル（Ｂ）は、例え
ばＲ−１３のような低沸点冷媒が封入され、低圧側圧縮
機（５）、前記カスケードコンデンサ（４）、クーラ（
７）を順次配管接続して、従来同様に形成されている。

【００２２】またブライン循環路（Ｃ）は、ブライン槽
（８）からポンプ（９）を経て前記クーラ（７）に至り
再びブライン槽（８）に戻る従来同様の管路と、ブライ
ン槽（８）から前記ポンプ（９）を経て前記第２のクー
ラ（１１）に至り、ブライン槽（８）に戻る第２のブラ
イン循環路（Ｃ−２）とが並設されている。

【００２３】なおこのときも、ブライン循環路（Ｃ）と
第２のブライン循環路（Ｃ−２）とは、夫々の循環路（
Ｃ），（Ｃ−２）に介設された切換弁機構（１５）（以
下ブライン用液電磁弁（１５）という）と切換弁機構（
１６）（以下、第２のブライン用液電磁弁（１６）とい
う）との適宜開閉動作により適宜切換えられるようにな
っている。

【００２４】しかして以上の構成になる本発明ブライン
冷却用２元冷凍装置の作動について以下に説明する。

【００２５】まず、ブライン温度が所定温度（ここでは
−３０℃とする）以上の場合、即ち、ブライン温度が常
温から低温域にある場合、高段液電磁弁（１３）は閉じ
、第２の高段液電磁弁（１４）が開き、また、ブライン
用液電磁弁（１５）は閉じ、第２のブライン用液電磁弁
（１６）が開く。この状態で高段側圧縮機（１）及びブ
ライン循環路（Ｃ）のポンプ（９）が起動すると、高段
側圧縮機（１）から吐出された高沸点冷媒は凝縮器（２
）で液化され、配管（１２）の第２の高段液電磁弁（１
４）を通り、第２の高段側膨張弁（１０）を経て、第２
のクーラ（１１）に至り、再び高段側圧縮機（１）に戻
る。即ち、第２の高段側冷凍サイクル（Ａ）の運転が行
われる。

【００２６】また、これと同時に一方では、ブライン槽
（８）からブラインがポンプ（９）を介して第２のブラ
イン用液電磁弁（１６）を通り、前記第２のクーラ（１
１）を流れてブライン槽（８）に戻る第２のブライン循
環路（Ｃ−２）の運転が行われる。

【００２７】従ってこの場合、第２の高段側冷凍サイク
ル（Ａ−２）による公知の一元冷凍サイクルにより、第
２のブライン循環路（Ｃ−２）のブラインは、第２のク
ーラ（１１）において常温域から低温域に冷却されるこ
ととなる。

【００２８】次にブライン温度が−３０℃に達すると、
高段液電磁弁（１３）が開き、第２の高段液電磁弁（１
４）が閉じ、ブライン用液電磁弁（１５）が開き、第２
のブライン用液電磁弁（１６）が閉じる。そして前記高
段側圧縮機（１）及び前記ポンプ（９）の駆動に加えて
、低段側圧縮機（５）が駆動される。

【００２９】これによって第２の高段側冷凍サイクル（
Ａ−２）は高段側冷凍サイクル（Ａ）に、第２のブライ
ン循環路（Ｃ−２）はブライン循環路（Ｃ）に夫々切換
えられ、通常の２元冷凍サイクルによる冷却作用が前記
したように行われて低温域にあったブラインは最終的に
−８０℃程度の超低温域まで冷却される。

【００３０】次に、以上の説明は全て図１にもとづいた
もの、即ち、請求項１に記載したものであったが、本発
明は以上のものに限らず、図２に示すようなものでも同
様の作用効果を奏する。

【００３１】即ち、これは請求項２に記載したものの実
施例であるが、高段側冷凍サイクル（Ａ）及び第２の高
段側冷凍サイクル（Ａ−２）は図１に示したものと同様
の回路とし、他方、ブライン循環路（Ｃ）は、ブライン
槽（８）からポンプ（９）を経て、第２のクーラ（１１
）及びクーラ（７）を順次通り、ブライン槽（８）に戻
る循環路としたものである。

【００３２】なお、このブライン循環路（Ｃ）の場合、
前記のようなブライン用液電磁弁（１５），（１６）は
設けられていない。しかしてこの場合の冷凍装置の作動
について述べると、まず、高段側冷凍サイクル（Ａ）に
おける所定温度時の切換え作動は前記の場合と同様であ
る。即ち、ブラインの温度が常温から前記−３０℃まで
は高段液電磁弁（１３）を閉じ、第２の高段液電磁弁（
１４）を開き、第２の高段側冷凍サイクル（Ａ−２）だ
けを運転し、−３０℃以下になると高段液電磁弁（１３
）を開き、第２の高段液電磁弁（１４）を閉じて、通常
の２元冷凍サイクルの運転に切換える。

【００３３】一方、この間、ブライン循環路（Ｃ）の方
は、ポンプ（９）を駆動し続けブラインをクーラ（７）
及び第２のクーラ（１１）に流し続けておく。

【００３４】従ってこの場合、ブライン温度が−３０℃
以上の場合は第２の高段側冷凍サイクル（Ａ）の第２の
クーラ（１１）においてブラインは冷却され、その温度
が−３０℃以下になると、代わって２元冷凍装置におけ
る低段側冷凍サイクル（Ｂ）のクーラ（７）においてブ
ラインが冷却されることとなる。そしてこれによって前
記請求項１記載のものと同様、ブラインは常温域から超
低温域まで冷却されることとなる。

【００３５】なお、以上の説明において図示及び説明を
省略したが、ブラインの温度は、例えばブライン槽（８
）に設けられた公知のサーモセンサーにより検知され、
各電磁弁（１３）〜（１６）はその検知温度にもとづき
、公知の制御機構により開閉制御される。

【００３６】

【発明の効果】本発明は以上のようにブライン冷却用２
元冷凍装置において、その高段側冷凍サイクル（Ａ）に
対し、切換弁機構（１３），（１４）を介して第２の高
段側冷凍サイクル（Ａ−２）を切換え可能に設け、ブラ
インが所定温度に冷却されるまではこの第２の高段側冷
凍サイクル（Ａ−２）による一元冷凍サイクルによって
ブラインを冷却するようにしたから、従来の２元冷凍装
置では時間がかかり、かつ機器に無理な負担がかかって
いた常温域から低温域にかけてのブライン冷却を極めて
短時間で無理なく行うことができる。

【００３７】また、前記設定温度までの冷却が前記のよ
うに行われた後は、前記第２の高段側冷凍サイクル（Ａ
−２）が高段側冷凍サイクル（Ａ）に切り換わり、高段
側冷凍サイクル（Ａ）と低段側冷凍サイクル（Ｂ）によ
る２元冷凍サイクルが引続き形成され、２元冷凍システ
ムにより低温域のブラインを超低温に冷却するため、ブ
ライン槽（８）のブラインはここでも無理なく低温域か
ら超低温域に冷却され、その結果、全体としてみても、
ブライン槽（８）のブラインは従来とは比較にならない
程、短時間で何の支承もなく常温から超低温に冷却され
る。

【００３８】なお、請求項１の場合は、前記高段側冷凍
サイクル（Ａ）の切換えに応じて、ブライン循環路（Ｃ
）と第２のブライン循環路（Ｃ−２）とを切換弁機構（
１５），（１６）により切換えるようにしているが、請
求項２の場合は、ブライン循環路（Ｃ）にクーラ（７）
と第２のクーラ（１１）とを直列に配して、第２の高段
側冷凍サイクル（Ａ−２）による一元冷凍サイクルでの
冷凍運転にも、高段側冷凍サイクル（Ａ）と低段側冷凍
サイクル（Ｂ）とによる２元冷凍サイクルでの冷凍運転
にも、ブライン循環路（Ｃ）側での切換え操作を行うこ
となく対応可能としており、より簡単な構成、より簡単
な制御で前記効果を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係るブライン冷却用２元冷
凍装置の回路図である。

【図２】本発明の他の実施例に係るブライン冷却用２元
冷凍装置の回路図である。

【図３】従来のブライン冷却用２元冷凍装置の回路図で
ある。

【符号の説明】

（１）　　　　　　高段側圧縮機 （２）　　　　　　凝縮器 （３）　　　　　　高段側膨張弁 （４）　　　　　　カスケードコンデンサ（５）　　　
　　　低段側圧縮機 （６）　　　　　　低段側膨張弁 （７）　　　　　　クーラ （８）　　　　　　ブライン槽 （９）　　　　　　ポンプ （１０）　　　　第２の高段側膨張弁 （１１）　　　　第２のクーラ （１３）　　　　切換弁機構 （１４）　　　　　　〃 （１５）　　　　　　〃 （１６）　　　　　　〃 （Ａ）　　　　　　高段側冷凍サイクル（Ａ−２）　　
第２の高段側冷凍サイクル（Ｂ）　　　　　　低段側冷
凍サイクル（Ｃ）　　　　　　ブライン循環路 （Ｃ−２）　　第２のブライン循環路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　高段側圧縮機（１）と凝縮器（２）と
   高段側膨張弁（３）及びカスケードコンデンサ（４）を
   順次配管接続し、該配管中を高沸点冷媒が循環する高段
   側冷凍サイクル（Ａ）と、低段側圧縮機（５）と前記カ
   スケードコンデンサ（４）と低段側膨張弁（６）及びク
   ーラ（７）を順次配管接続し、該配管中を低沸点冷媒が
   循環する低段側冷凍サイクル（Ｂ）と、ブライン槽（８
   ）とポンプ（９）及び前記クーラ（７）を順次配管接続
   し、該配管中をブラインが循環するブライン循環路（Ｃ
   ）とからなるブライン冷却用２元冷凍装置において、前
   記高段側冷凍サイクル（Ａ）の凝縮器（２）出口側配管
   から分岐し、第２の高段側膨張弁（１０）及び第２のク
   ーラ（１１）を経て前記高段側圧縮機（１）へ戻る第２
   の高段側冷凍サイクル（Ａ−２）を切換弁機構（１３）
   ，（１４）を介して前記高段側冷凍サイクル（Ａ）と切
   換可能に、又、前記ブライン槽（８）からポンプ（９）
   及び前記第２のクーラ（１１）を経てブライン槽（８）
   へ戻る第２のブライン循環路（Ｃ−２）を切換弁機構（
   １５），（１６）を介して前記ブライン循環路（Ｃ）と
   切換可能に夫々設けると共に、ブライン温度が所定温度
   以上のときは前記第２の高段側冷凍サイクル（Ａ−２）
   と前記第２のブライン循環路（Ｃ−２）とを切換選択し
   、かつ高段側圧縮機（１）及びポンプ（９）を駆動して
   ブラインを冷却し、一方、ブライン温度が前記所定温度
   以下のときは、前記高段側冷凍サイクル（Ａ）及び前記
   ブライン循環路（Ｃ）を切換選択し、かつ、高段側圧縮
   機（１）、低段側圧縮機（５）及びポンプ（９）を駆動
   して２元冷凍システムによりブラインを冷却するよう制
   御することを特徴とするブライン冷却用２元冷凍装置。
2. 【請求項２】　　高段側圧縮機（１）と凝縮器（２）と
   高段側膨張弁（３）及びカスケードコンデンサ（４）を
   順次配管接続し、該配管中を高沸点冷媒が循環する高段
   側冷凍サイクル（Ａ）と、低段側圧縮機（５）と前記カ
   スケードコンデンサ（４）と低段側膨張弁（６）及びク
   ーラ（７）を順次配管接続し、該配管中を低沸点冷媒が
   循環する低段側冷凍サイクル（Ｂ）と、ブライン槽（８
   ）とポンプ（９）及び前記クーラ（７）を順次配管接続
   し、該配管中をブラインが循環するブライン循環路（Ｃ
   ）とからなるブライン冷却用２元冷凍装置において、前
   記高段側冷凍サイクル（Ａ）の凝縮器（２）出口側配管
   から分岐し、第２の高段側膨張弁（１０）及び第２のク
   ーラ（１１）を経て前記高段側圧縮機（１）へ戻る第２
   の高段側冷凍サイクル（Ａ−２）を切換弁機構（１３）
   ，（１４）を介して前記高段側冷凍サイクル（Ａ）と切
   換可能に設ける一方、前記ブライン循環路（Ｃ）中にお
   いて、前記第２のクーラ（１１）を前記クーラ（７）に
   対して直列に接続すると共に、ブライン温度が所定温度
   以上のときは前記第２の高段側冷凍サイクル（Ａ−２）
   を切換選択し、かつ高段側圧縮機（１）及びポンプ（９
   ）を駆動してブラインを冷却し、一方、ブライン温度が
   前記所定温度以下のときは、前記高段側冷凍サイクル（
   Ａ）を切換選択し、かつ、高段側圧縮機（１）、低段側
   圧縮機（５）及びポンプ（９）を駆動して２元冷凍シス
   テムによりブラインを冷却するよう制御することを特徴
   とするブライン冷却用２元冷凍装置。