JPH07104058B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、低温から超低温にわたる高範囲の温度制御が
可能な冷凍サイクル装置に係り、詳しくは低温時は混合
冷媒を利用した冷凍サイクルにより温度制御し、超低温
時は２元冷凍サイクルにより温度制御することができる
冷凍サイクル装置に関するものである。

（従来の技術） 通常、冷凍機において発生温度を制御するには圧縮機の
容量制御等によって行うが、かかる手段では制御範囲が
限られ、低温恒温槽などのように、庫内を低温から−80
℃程度の超低温まで広範囲に制御する場合は上記手段だ
けでは対応困難である。

そこでこのような場合は冷凍機によって庫内を冷却する
一方、電気加熱器等によって庫内を加熱し、所定温度に
制御する手段が一般になされていたが、この手段は全体
のランニングコストが増大するため、ランニングコスト
削減を目的として電気加熱器等を不要とした制御手段が
提案されている（特開昭62−125230号公報参照）。

これは２元冷凍機を使用するもので、該２元冷凍機によ
って庫内を冷却すると共に、２元冷凍機の高温側サイク
ルに生ずるホットガスを庫内に供給して庫内温度を制御
するものである。

（発明が解決しようとする課題） しかし上記の２元冷凍機にしても、一方で冷却しつつ片
方で加熱する方式のため、ランニングコスト削減には限
度があり、特にそれ程低い温度を必要としないときで
も、ホットガス生成のため、２台の圧縮機を最大容量で
運転しなければならず、エネルギー浪費の感はまぬがれ
なかった。

本発明はかかる実状に鑑みて上記の如き広範囲の温度制
御を行うにあたり、上記の如く加熱するという手段を廃
する一方、圧縮機だけで温度制御が可能な冷凍サイクル
装置を開発して、低温恒温槽などの温度制御における省
エネルギー化を達成することを目的とするものである。

（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、第１の圧縮
機（３）、凝縮器（４）、第１の膨張弁（５）、カスケ
ードコンデンサ（６）を備えた第１冷凍サイクル（１）
と、第２の圧縮機（７）、前記カスケードコンデンサ
（６）、第２の膨張弁（８）、第２の蒸発器（９）を備
えた第２冷凍サイクル（２）とからなる２元冷凍サイク
ル装置において、前記第１冷凍サイクル（１）に低沸点
冷媒と高沸点冷媒との非共沸混合冷媒を、一方、第２冷
凍サイクル（２）に低沸点冷媒を夫々封入すると共に、
第１冷凍サイクル（１）には、前記カスケードコンデン
サ（６）の高沸点冷媒出口側（6B）に第１圧縮機（３）
を、凝縮器（４）出口側に気液分離器（10）を配し、か
つ該気液分離器（10）の低沸点冷媒出口（10A）および
高沸点冷媒出口（10B）を第１の膨張弁（５）を介して
夫々前記カスケードコンデンサ（６）に接続し、さらに
該カスケードコンデンサ（６）の低沸点冷媒出口（6A）
側管路に、第３の膨張弁（11）、第１の蒸発器（12）を
経て第１の圧縮機（３）に至る管路と低沸点冷媒を貯溜
する冷媒貯溜タンク（13）に至る管路とを選択可能に分
岐接続して前記第１圧縮機（３）に接続せしめて冷凍サ
イクル装置を構成したことにある。

（作用） 上記の如き本発明に係る冷凍サイクル装置は、制御すべ
き温度を低温モードと超低温モードに分け、夫々のモー
ドに応じて運転を行う。

まず、どちらのモードの場合も、第１冷凍サイクルの第
１の圧縮機を運転すると共に、同サイクルの混合冷媒を
気液分離器により低沸点冷媒と高沸点冷媒とに分離し、
さらにカスケードコンデンサによって前者を凝縮させ、
後者を蒸発させる。

ここで前者、低沸点冷媒を第３の膨張弁を介して第１の
蒸発器の方向に供給すると、第１の蒸発器による冷却作
用がなされ、低温モードでの温度制御が行われる。

一方、前記低沸点冷媒のほとんどを冷媒貯溜タンクに貯
溜し、第１冷凍サイクルを実質的には高沸点冷媒だけの
循環路とし、同時に第２冷凍サイクルの第２の圧縮機を
始動すると、カスケードコンデンサを介して第１冷凍サ
イクルと第２冷凍サイクルによる２元冷凍回路が形成さ
れ、第２冷凍サイクルの第２蒸発器において、冷却作用
がなされ、超低温モードの温度制御が可能となる。

（実施例） 以下、さらに本発明の実施例を図面にもとづき説明す
る。

第１図は本発明に係る冷凍サイクル装置の１例を示す配
管系統図で、同図において（１）は第１冷凍サイクル、
（２）は第２冷凍サイクルを夫々示している。

第１冷凍サイクル（１）には例えばR13のような低沸点
冷媒と、例えばR22のような高沸点冷媒とを非共沸混合
冷媒として封入し、一方、第２冷凍サイクル（２）には
例えばR13のような低沸点冷媒を封入する。また、かか
る２つの冷凍サイクル（１），（２）はカスケードコン
デンサ（６）によって熱交換可能に組合わせされてい
る。

前記第１冷凍サイクル（１）には、第１の圧縮機
（３）、凝縮器（４）、気液分離器（10）が順次配管接
続されており、さらに気液分離器（10）のガス側出口
（10A）及び液側出口（10B）からはカスケードコンデン
サ（６）に入る配管が夫々延設され、このうち液側出口
（10B）からカスケードコンデンサ（６）に入る配管に
は配管途上に第１の膨張弁（５）が設けられている。

第１の圧縮機（３）から吐出された混合冷媒は、凝縮器
（４）で凝縮し、主に高沸点冷媒が液状となった後、気
液分離器（10）によりガス状の低沸点冷媒と液状の高沸
点冷媒とに分離し、第１の膨張弁（５）により高沸点冷
媒が低温となって、両者がカスケードコンデンサ（６）
により熱交換される。

この結果、高沸点冷媒は熱を得て蒸発し、カスケードコ
ンデンサ（６）の高沸点冷媒出口（6B）側の配管を通じ
て第１の圧縮機（３）に戻る。

一方、低沸点冷媒は熱を奪われ、凝縮してカスケードコ
ンデンサ（６）を出るが、ここでカスケードコンデンサ
（６）の低沸点冷媒出口（6A）側配管は２方向に分岐し
ており、一方は第３の膨張弁（11）を経て第１の蒸発器
（12）に至る配管、他方は冷媒貯溜タン（13）に至る配
管となっていて、後述するように運転状況に応じてどち
らか一方向を選択するようになっている。

選択手段として例えば同図に示す装置では、冷媒貯溜タ
ンク（13）の入口側配管に第１の電磁弁（SV1）を設け
ており、該電磁弁（SV1）と前記第３の膨張弁（11）と
によって、後述する如く低沸点冷媒の流路を方向づけて
いる。

なお、この後第１の蒸発器（12）及び冷媒貯溜タンク
（13）の夫々の出口側は、前記第１の圧縮機（３）に戻
る高沸点冷媒の配管と夫々分岐接続されている。また、
第１の蒸発器（12）出口側には冷媒の逆流を防ぐ逆止弁
（14）が、一方、冷媒貯溜タンク（13）の出口側にはキ
ャピラリチューブ（15）と第２の電磁弁（SV2）が夫々
設けられている。

以上の第１冷凍サイクル（１）の構成に対して、第２冷
凍サイクル（２）は、第２の圧縮機（７）、前記カスケ
ードコンデンサ（６）、第２の膨張弁（８）、第２の蒸
発器（９）を順次配管接続したもので、通常の２元冷凍
サイクルのいわゆる低温側回路と同様の構成になるもの
である。

次に以上の如く構成した冷凍サイクル装置の運転方法に
ついて以下に第２図〜第４図を参照して説明する。なお
使用する冷媒は前記R13とR22である。また便宜上、−40
℃を境としてそれ以上を低温モード、それ以下を超低温
モードと呼ぶことにする。

まず低温モードでは、第１の電磁弁（SV1）を閉鎖し、
第２の電磁弁（SV2）を開放すると共に、第１の圧縮機
（３）のみを運転する。

これにより、第２図に示すようにカスケードコンデンサ
（６）の低沸点冷媒出口（6A）は、第１の蒸発器（12）
方向へ連通することとなり、前述の如くカスケードコン
デンサ（６）で冷却された低沸点冷媒が第３の膨張弁
（11）を通り、低温低圧となった後、第１の蒸発器（1
2）で蒸発して、冷気が発生する。このときの温度は第
１の圧縮機（３）の容量制御等により−10℃〜−40℃の
範囲で制御可能である。なお、この後、低沸点冷媒は逆
止弁（11）を経て第１の圧縮機（３）入口側で高沸点冷
媒と合流し、再び混合冷媒となって循環をくり返すこと
は言うまでもない。

次に超低温モードに切換える場合は、まず、その準備と
して、前記第１の電磁弁（SV1）を開放するとともに、
第２の電磁弁（SV2）を閉鎖し、さらに第３の膨張弁（1
1）を全閉にし、かつ前記同様、第１の圧縮機（３）だ
けを運転する。これによって第３図に示すようにカスケ
ードコンデンサ（６）の低沸冷媒出口（6A）は、前記低
温モード時とは違って冷媒貯留タンク（13）と連通し、
前記低沸点冷媒は、該冷媒貯溜タンク（13）に貯溜され
る。

なお、このときの冷媒貯溜タンク（13）は、冷媒をガス
状で貯溜するタンクであっても、冷媒を液状で貯溜する
タンクであってもよい。但し、ガス状で貯溜する場合は
タンク（13）の容量を大きくする必要があり、一方、液
状で貯溜する場合はタンク（13）の容量を小さくしてよ
い反面、タンク（13）内に冷媒冷却手段を付する必要が
ある。図中、点線で描いた配管路は、このための冷却回
路（16）で、第１の圧縮機（３）流入直前の低温ガス冷
媒を冷媒貯溜タンク（13）にバイパスし、タンク（13）
内に低沸点冷媒を液化するものである。

こうして第１冷凍サイクル（１）のほとんどの低沸点冷
媒を冷媒貯溜タンク（13）に貯溜すると、第１冷凍サイ
クル（１）には実質的には高沸点冷媒だけが循環する状
態となる。そしてさらに第２冷凍サイクル（２）の第２
の圧縮機（７）を運転することにより超低温モードの運
転に切換わる。

即ち、第４図に示すように、このモードは第２冷凍サイ
クル（２）において、低沸点冷媒が第２の圧縮機（７）
から吐出され、カスケードコンデンサ（６）内で第１冷
凍サイクル（１）の高沸点冷媒に熱を奪われて凝縮し、
さらに第２の膨張弁（８）を経て第２の蒸発器（９）に
至り、蒸発して再び第２の圧縮機（７）に戻るいわゆる
２元冷凍機の低温側サイクルが形成された状態である。
そしてこれによって第２の蒸発器（９）に超低温の冷熱
が発生する。この場合の温度は圧縮機（３），（７）の
容量制御等により−40℃〜−80℃の範囲で制御可能であ
る。

以上のように本発明に係る冷凍サイクル装置は冷凍サイ
クルを切換えることによって低温から超低温にわたり幅
広い温度制御が可能で、かつ低温モードのときは１台の
圧縮機の運転だけで温度制御を行うことができると共
に、モードの切換えにあたり、カスケードコンデンサ
（６）が予冷されており、効率よく切換えることができ
る特長がある。

（発明の効果） 以上のように本発明に係る冷凍サイクル装置は、第１冷
凍サイクルと第２冷凍サイクルとを有し、さらに第１冷
凍サイクルに高沸点冷媒と低沸点冷媒とからなる非共沸
混合冷媒を封入し、第２冷凍サイクルに低沸点冷媒を封
入したものであり、第１冷凍サイクルにおいて第１圧縮
機を運転して混合冷媒を気液分離器で分離し、分離した
両冷媒をカスケードコンデンサにより熱交換して、低沸
点冷媒を凝縮し、この凝縮した低沸点冷媒を第３の膨張
弁を介して第１の蒸発器に供給することにより、低温モ
ードの温度制御が可能であり、一方、前記の如く凝縮し
た低沸点冷媒を冷媒貯溜タンクに貯溜し、前記第１圧縮
機とともに第２圧縮機をも運転することで、第１冷凍サ
イクルを高温側回路、第２冷凍サイクルを低温側回路と
する２元冷凍サイクル回路をカスケードコンデンサを介
して構成して、超低温モードの冷却作用が容易にできる
ことから超低温から低温に至る幅広い温度制御が可能と
なり、幅広い温度制御が求められる低温恒温槽などの冷
凍装置として適用範囲を拡大し頗る好適であると共に実
効性を増大する。特に庫内を超低温に冷却する必要がな
いときは、１台の圧縮機の運転だけで制御可能なため、
従来に比し、省エネルギー化を達成し頗る経済的であ
る。

また、低温モードと超低温モードとの切換えに際し、カ
スケードコンデンサの予冷がされているため、効率よく
切換えることができる利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る冷凍サイクル装置の配管系統図、
第２図〜第４図は同冷凍サイクル装置の各モードにおけ
る冷媒の流れを示す配管系統図である。 （１）……第１冷凍サイクル、 （２）……第２冷凍サイクル、 （３）……第１の圧縮機、 （４）……凝縮器、 （５）……第１の膨張弁、 （６）……カスケードコンデンサ、 （6A）……低沸点冷媒出口、 （6B）……高沸点冷媒出口、 （７）……第２の圧縮機、 （８）……第２の膨張弁、 （９）……第２の蒸発器、 （10）……気液分離器、 （10A）……ガス側出口、 （10B）……液側出口、 （11）……第３の膨張弁、 （12）……第１の蒸発器、 （13）……冷媒貯溜タンク。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の圧縮機（３）、凝縮機（４）、第１
   の膨張弁（５）、カスケードコンデンサ（６）を備えた
   第１冷凍サイクル（１）と、第２の圧縮機（７）、前記
   カスケードコンデンサ（６）、第２の膨張弁（８）、第
   ２の蒸発器（９）を備えた第２冷凍サイクル（２）とか
   らなる２元冷凍サイクル装置において、前記第１冷凍サ
   イクル（１）に低沸点冷媒と高沸点冷媒との非共沸混合
   冷媒を、一方、第２冷媒サイクル（２）に低沸点冷媒を
   夫々封入すると共に、第１冷凍サイクル（１）には、前
   記カスケードコンデンサ（６）の高沸点冷媒出口側（6
   B）に第１圧縮機（３）を、凝縮器（４）出口側に気液
   分離器（10）を配し、かつ該気液分離器（10）の低沸点
   冷媒出口（10A）および高沸点冷媒出口（10B）を第１の
   膨張弁（５）を介して夫々前記カスケードコンデンサ
   （６）に接続し、さらに該カスケードコンデンサ（６）
   に低沸点冷媒出口（6A）側管路に、第３の膨張弁（1
   1）、第１の蒸発器（12）を経て第１の圧縮機（３）に
   至る管路と低沸点冷媒を貯溜する冷媒貯溜タンク（13）
   に至る管路とを選択可能に分岐接続して前記第１圧縮機
   （３）に接続せしめたことを特徴とする冷凍サイクル装
   置。