JPH07104059B2 - 二元冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は二元冷凍装置、詳しくは、高温側冷凍サイクル
と低温側冷凍サイクルとを備え、カスケードコンデンサ
ーを介して、高温側冷凍サイクルの冷媒により低温側冷
凍サイクルの冷媒を冷却するようにして、例えば超低温
庫の庫内に低温側冷凍サイクルの蒸発器を配置して、庫
内を超低温に冷却する二元冷凍装置に関する。

（従来の技術） 従来、この種の二元冷凍装置は、例えば特開昭61−4685
9号公報に開示され、また第４図に示すように、高温側
圧縮機（Ａ）、凝縮器（Ｂ）、高温側膨張機構（Ｃ）及
びカスケードコンデンサー（Ｄ）を備えた高温側冷凍サ
イクルと、低温側圧縮機（Ｅ）、前記カスケードコンデ
ンサー（Ｄ）、低温側膨張機構（Ｆ）及び蒸発器（Ｇ）
を備えた低温側冷凍サイクルとから構成して、例えば、
前記蒸発器（Ｇ）を低温庫等に設けてこの低温庫を超低
温にするようにしている。又、カスケードコンデンサー
（Ｄ）の入口側と低温側膨張機構（Ｆ）の出口側とを、
電磁弁（Ｈ）及び減圧装置（Ｌ）を介装したバイパス管
（Ｉ）により接続して、前記電磁弁（Ｈ）の開閉によ
り、圧縮機（Ｅ）から吐出した高温のホットガスを、カ
スケードコンデンサー（Ｄ）及び低温側膨張機構（Ｆ）
をバイパスして前記蒸発器（Ｇ）の入口側へ流入するよ
うにしている。尚、（Ｊ）は前記圧縮機（Ｅ）の吐出側
に接続した油分離器、（Ｋ）は前記圧縮機（Ｅ）の吸入
側に介装したアキュムレータである。

（発明が解決しようとする課題） ところで、一般に二元冷凍装置を用いた超低温庫におい
て庫内の温度をコントロールする場合、例えばインバー
タを用いて前記低温側圧縮機（Ｅ）の容量制御すること
により調温することができるが、調温する温度範囲には
自ずから限度がある。又、一方第４図に示したように、
前記バイパス管（Ｉ）を介して低温側圧縮機（Ｅ）から
吐出した高温のホットガスを、カスケードコンデンサー
（Ｄ）及び低温側膨張機構（Ｆ）をバイパスさせて前記
蒸発器（Ｇ）の入口側へ流入させることにより、前記蒸
発器（Ｇ）の冷却能力を減少させることができ、従っ
て、前記ホットガスのバイパスにより、庫内温度を調温
することが考えられる。

所が、以上の如く低温側圧縮機（Ｅ）から吐出した高温
のホットガスを前記蒸発器（Ｇ）に注入する場合、カス
ケードコンデンサー（Ｄ）をバイパスした高温のホット
ガスが、前記カスケードコンデンサー（Ｄ）にて冷却さ
れることなく高温のまゝ直接蒸発器（Ｇ）に流入するか
らヒートショックが大きくなり、第３図に示したよう
に、前記バイパス管（Ｉ）に介装した前記電磁弁（Ｈ）
のオン・オフに対応して庫内温度は急激に変化して、そ
の変動幅も大きくなり、庫内温度の制御精度が低下する
問題が生じるし、また、前記低温側膨張機構（Ｆ）の下
流側に接続した前記バイパス管（Ｉ）のロー付け部付近
がヒートショックの影響を受けて、該ロー付け部の信頼
性が低下する問題があった。

本発明は以上の問題を解決するために発明したもので、
その主たる目的は、ホットガスバイパスによる蒸発器で
の温度コントロール範囲を拡げることができながら、庫
内温度を調温する制御精度を向上させることができ、し
かも、ホットガスバイパス時のヒートショックも少なく
し、ヒートショックによる信頼性低下の問題も解消しよ
うとする点にある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明では、高温側圧縮機
（11）、凝縮器（12）、高温側膨張機構（13）及びカス
ケードコンデンサー（３）を備えた高温側冷凍サイクル
と、低温側圧縮機（21）、前記カスケードコンデンサー
（３）、低温側膨張機構（28）及び蒸発器（22）を備え
た低温側冷凍サイクルとから成る二元冷凍装置におい
て、前記低温側冷凍サイクルにおける低温側圧縮機（2
1）と前記カスケードコンデンサー（３）との間にプレ
クーラー（５）を介装すると共に、このプレクーラー
（５）の出口側に、前記カスケードコンデンサー（３）
及び低温側膨張機構（23）を側路し、前記蒸発器（22）
の入口側に接続する電磁弁（６）をもったバイパス管
（７）を設けたのである。

（作用） 前記バイパス管（７）に介装した電磁弁（６）を開くこ
とにより、前記カスケードコンデンサー（３）及び低温
側膨張機構（23）を側路する高温のホットガスを前記蒸
発器（22）の入口側にバイパスさせられ、このホットガ
スにより前記蒸発器（22）の冷却能力を減少させること
ができるのであって、例えば冷熱衝撃試験装置等の超低
温庫に適用する場合、超低温庫内を冷却し過ぎることな
く所定の設定温度に維持することができる。しかも、前
記蒸発器（22）にバイパスするホットガスは、前記プレ
クーラー（５）にて予め所望温度に冷却できるから、冷
却しない場合に比較して前記蒸発器（22）の冷却能力を
減少させる減少幅を小さくでき、この結果、急激な温度
上昇をなくし得るのであり、それだけ庫内温度の制御精
度を向上することかできる。

その上、ヒートショックも少なくできるので、前記蒸発
器（22）の入口側にも前記バイパス管（７）をロー付け
する場合でも、ロー付け部の信頼性も向上させることが
できるのである。

（実施例） 第１図に示した二次冷凍装置の基本構造は、高温側圧縮
機（11）、凝縮器（12）、高温側膨張機構（13）及びカ
スケードコンデンサー（３）を備えた高温側冷凍サイク
ル（１）及び、低温側圧縮機（21）、前記カスケードコ
ンデンサー（３）、低温側膨張機構（23）及び蒸発器
（22）を備えた低温側冷凍サイクル（２）を備えてお
り、該低温側冷凍サイクル（２）の前記蒸発器（22）
を、例えば、二点鎖線で示した冷熱衝撃試験装置等にお
ける超低温庫（４）内に配置して、二元冷凍装置の運転
により該超低温庫（４）内を超低温にできるようにして
いる。尚、（41）は前記蒸発器（22）に風を送って、庫
内空気を循環させる庫内ファン、（14）は前記凝縮器
（12）に風を送るファンである。

しかして、第１図に示した実施例では、以上の如く構成
する二元冷凍装置の前記低温側冷凍サイクル（２）にお
ける低温側圧縮機（21）と前記カスケードコンデンサー
（３）との間にプレクーラー（５）を介装すると共に、
このプレクーラー（５）の出口側に、前記カスケードコ
ンデンサー（３）及び低温側膨張機構（23）を側路し、
前記蒸発器（22）の入口側に接続する電磁弁（６）をも
ったバイパス管（７）を設けるのである。

具体的には、前記低温側圧縮機（21）の吐出側に設けた
油分離器（24）と前記カスケードコンデンサー（３）と
の間に前記プレクーラー（５）を介装して、該プレクー
ラー（５）を前記凝縮器（12）の風下側に付設し、前記
ファン（14）によって前記凝縮器（12）に送られ、この
凝縮器（12）を通過する風により前記クーラー（５）が
冷却されるように構成すると共に、前記プレクーラー
（５）の出口側から分岐して、前記低温側膨張機構（2
3）と前記蒸発器（22）とを接続する低圧液管（25）に
接続するバイパス管（７）を設けて、このバイパス管
（７）に、前記超低温庫（４）内に設けた温度センサ
（42）の出力により開閉する電磁弁（６）を介装したの
である。

尚、（26）は膨張タンク、（27）は吐出圧力調整弁であ
る。

次に、以上のように構成した二元冷凍装置の作動を説明
する。

高温側冷凍サイクル（１）の圧縮機（11）から吐出する
高温のガス冷媒は、ファン（14）を付設した前記凝縮器
（12）で外気により冷却されて凝縮し液冷媒となる。こ
の液冷媒は高温側膨張機構（13）で減圧されて、カスケ
ードコンデンサー（３）に流入し、低温側冷凍サイクル
（２）の冷媒と熱交換して蒸発し圧縮機（11）に戻るの
である。

一方、低温側冷凍サイクル（２）の圧縮機（21）から吐
出する高温のガス冷媒は、前記油分離器（24）で油を分
離してから高温側冷凍サイクル（１）の前記凝縮器（1
2）に併設したプレクーラー（５）にて冷却されて低温
になってから、カスケードコンデンサー（３）に流入す
る。その後、該コンデンサー（３）にて高温側冷凍サイ
クル（１）の液冷媒により冷却されて凝縮し液冷媒とな
る。この液冷媒は低温側膨張機構（23）で減圧されて
後、前記超低温庫（４）内に設けた蒸発器（22）に流入
し、前記庫内ファン（41）による循環空気と熱交換して
蒸発し、圧縮機（21）に戻るのである。

このようにして、前記庫内ファン（41）により循環させ
られる庫内空気を低温側冷凍サイクル（２）の蒸発器
（22）に供給することにより、前記超低温庫（４）内を
超低温に冷却するのであるが、冷熱衝撃試験等では前記
超低温庫（４）内を冷却し過ぎることなく所定の設定温
度に維持する場合には、前記超低温庫（４）内に設けた
前記温度センサ（42）の出力により前記電磁弁（６）を
開閉して、庫内温度を調温するのである。

次にこの調温を説明する。

先ず、庫内温度が所定の設定温度より低下すると前記温
度センサ（42）の出力により前記バイパス管（７）に介
装した前記電磁弁（６）がオンして、開動作する。この
電磁弁（６）の開動作により、ホットガスが前記バイパ
ス管（７）を介して前記カスケードコンデンサー（３）
と膨張機構（23）とをバイパスして、直接前記蒸発器
（22）に流入し、この流入により前記蒸発器（22）の冷
却能力が減少し、庫内温度を上昇させられる。次に、前
記バイパス管（７）からのホットガスバイパスにより、
庫内温度が所定の設定温度より上昇すると、前記温度セ
ンサ（42）の出力により前記電磁弁（６）がオフして、
閉動作する。この電磁弁（６）の閉動作により、前記バ
イパス管（７）からのホットガスバイパスが停止するこ
とにより、前記圧縮機（21）から吐出されるホットガス
の全量がプレクーラー（５）から前記カスケードコンデ
ンサー（３）に送られて凝縮し、前記膨張機構（23）で
膨張してから前記蒸発器（22）に流入し、前記電磁弁
（６）のオンにより減少した前記蒸発器（22）の冷却能
力を増大させて回復させるから、庫内温度が再び低下す
ることになる。

このように、前記電磁弁（６）のオンにより前記プレク
ーラー（５）にて冷却されたホットガスが前記蒸発器
（22）に流入すると共に、前記電磁弁（６）のオフによ
り、高圧のホットガスが前記カスケードコンデンサー
（３）にて凝縮し、前記膨張機構（23）で膨張してから
前記蒸発器（22）に流入するのであるから、前記超低温
庫（４）内の温度は、前記電磁弁（６）のオン・オフに
対応して第２図に示したようになだらかに変動するので
あって、その変動状態は、プレクーラー（５）を用いな
い第３図の庫内温度の変動状態に比較して変動幅を小さ
くできるのである。例えば、前記プレクーラー（５）を
用いないときの庫内温度の変動幅を±2.5℃、即ち５℃
とすると、プレクーラー（５）を用いる場合の変動幅は
±1.0℃、即ち２℃程度にできるのであって、このよう
に、庫内温度の制御精度を向上させることができるので
ある。

また、前記プレクーラー（５）により予め冷却した後前
記低圧液管（25）にホットガスをバイパスさせるのであ
るから、ヒートショックを少なくでき、従って、前記バ
イパス管（７）を、前記低温側膨張機構（28）と前記蒸
発器（22）とを接続する前記低圧液管（25）にロー付け
により接続する場合でも、ロー付け部付近におけるヒー
トショックによる影響を少なくでき、それだけ前記ロー
付け部の信頼性も向上させることができるのである。

更に、前記圧縮機（21）から吐出する高温のホットガス
は前記プレクーラー（５）にて冷却されてからカスケー
ドコンデンサー（３）に流入するから、このコンデンサ
ー（３）の入口側のホットガスの温度が低下するのであ
って、通常のプルダウン時前記高温側冷凍サイクル
（１）側の負荷を低減することになり、プルダウンを行
うのに好都合である。

尚、以上説明した実施例では、前記プレクーラー（５）
を高温側冷媒サイクル（１）の前記凝縮器（12）に併設
して、該凝縮器（12）を通過する風により前記プレクー
ラー（５）を冷却することにより、このプレクーラー
（５）を流れるホットガスを冷却できるようにしたが、
前記凝縮器（12）とは別に配置して前記プレクーラー
（５）に付設するファンにより冷却するようにしてもよ
い。

更に、以上のようなホットガスバイパスによる庫内温度
の制御時、インバータを用いた前記低温側圧縮機（21）
の容量制御を併用して行ってもよい。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明にかかる二元冷凍装置で
は、前記低温側冷凍サイクルにおける低温側圧縮機（2
1）と前記カスケードコンデンサー（３）との間にプレ
クーラー（５）を介装すると共に、このプレクーラー
（５）の出口側に、前記カスケードコンデンサー（３）
及び低温側膨張機構（23）を側路し、前記蒸発器（22）
の入口側に接続する電磁弁（６）をもったバイパス管
（７）を設けたから、前記バイパス管（７）に介装した
電磁弁（６）を開いて、前記蒸発器（22）の入口側にホ
ットガスをバイパスさせることにより、前記蒸発器（2
2）の冷却能力を減少させることができ、例えば冷熱衝
撃試験装置等の超低温庫に適用する場合、該超低温庫内
を冷却し過ぎることなく所定の設定温度に維持すること
ができる。しかも、バイパスさせるホットガスは前記プ
レクーラー（５）にて冷却して、前記蒸発器（22）の入
口側に注入するようにしたから、冷却しない場合に比較
して低温のホットガスをバイパスさせられ、それだけ前
記蒸発器（22）の冷却能力を減少させる減少幅を小さく
できる。この結果、前記蒸発器（22）の冷却能力の減少
幅を小さくできるだけ、庫内温度の制御精度を向上する
ことができる。

その上、前記蒸発器（22）の入口側にホットガスをバイ
パスさせる場合温度差を小さくできるから、ヒートショ
ックを柔らげられるのであり、従って前記バイパス管
（７）をロー付けにより接続する接続部のヒートショッ
クによる影響を少なくでき、従って、前記ロー付け部の
信頼性も向上させることができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかる二元冷凍装置の冷凍サイクル
系統図、第２図は電磁弁の開閉と超低温庫の温度との関
係を示すグラフ、第３図は従来例における同関係を示す
グラフ、第４図は従来例を示す冷凍サイクル系統図であ
る。 （３）……カスケードコンデンサー （５）……プレクーラー （６）……電磁弁 （７）……バイパス管 （11）……高温側圧縮機 （12）……凝縮器 （13）……高温側膨張機構 （21）……低温側圧縮機 （22）……蒸発器 （23）……低温側膨張機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温側圧縮機（11）、凝縮器（12）、高温
   側膨張機構（13）及びカスケードコンデンサー（３）を
   備えた高温側冷凍サイクルと、低温側圧縮機（21）、前
   記カスケードコンデンサー（３）、低温側膨張機構（2
   3）及び蒸発器（22）を備えた低温側冷凍サイクルとか
   ら成る二元冷凍装置において、前記低温側冷凍サイクル
   における低温側圧縮機（21）と前記カスケードコンデン
   サー（３）との間にプレクーラー（５）を介装すると共
   に、このプレクーラー（５）の出口側に、前記カスケー
   ドコンデンサー（３）及び低温側膨張機構（23）を側路
   し、前記蒸発器（22）の入口側に接続する電磁弁（６）
   をもったバイパス管（７）を設けたことを特徴とする二
   元冷凍装置。