JPH0745985B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は圧縮機を用いた冷凍装置、特に複数種の非共沸
混合冷媒を用いて極低温を得るための冷凍装置に関する
ものである。

（ロ）従来の技術 従来より理化学実験室等に於いて生体細胞の保存等に使
用される冷凍庫に用いる機械式冷凍装置は−80℃程度の
低温を得るのが限界であった。斯かる低温によれば細胞
の凍結保存は達成されるものの、時間の経過に従い、凍
結した細胞内の氷結晶の核が再結合して氷結晶の大きさ
が拡大し、細胞破壊現象が発生する。これは氷の再結晶
化と称されるものであるが、この氷の再結晶は再結晶化
点である−130℃より低い環境では発生しないことが知
られている。即ち−130℃より低い超低温下であれば細
胞の永久保存が達成でき、斯かる超低温を得る冷凍装置
が期待されていた。

ここで此種冷凍装置、特に圧縮機を用いたものでは、圧
縮機から吐出された高温ガス状冷媒を凝縮器に流入せし
めて空気若しくは水と熱交換することによって液化せし
め、減圧装置によって圧力調整した後、蒸発器に流入せ
しめて蒸発せしめる。この時気化熱を周囲より吸収する
ことによって冷却作用を達成するものであるが、単一の
冷媒を用いた冷凍装置では、通常の圧縮機の場合、−40
℃程度の最低到達温度を達成するのが限度である。

又、二つの独立した冷媒閉回路を用い、両者をカスケー
ド接続すると共に、低温を達成する側の冷媒閉回路によ
り低沸点の冷媒を封入することによって低温度を達成す
る所謂二元冷凍方式もあるが、これとて通常の圧縮機を
用いたものでは−80℃程度が限界である。

これらの問題を解決するものとして1973年10月３日付米
国特許第3,768,273号の如く、沸点の異なる複数種の混
合冷媒を用い、中間熱交換器でのより高い沸点の冷媒の
蒸発によって、より低い沸点の冷媒を次々に凝縮して行
くことにより、最終段の蒸発器で最も低い沸点の冷媒を
蒸発せしめ、単一の圧縮機によって低温度を得る所謂混
合冷媒冷凍方式もある。

更に、1973年５月22日付米国特許第3,733,845号の如く
独立した二つの冷媒閉回路をカスケード接続し、低温側
の冷媒閉回路を前述の混合冷媒冷凍方式として極めて低
い温度を達成するものもある。これによれば通常用いら
れる圧縮機（例えば1.5HP程度）によって−130℃より極
めて低い低温を達成することが可能である。

更に又、出願人が先に出願した特開昭62−73046号では
高温となり易い低温側の冷媒閉回路の圧縮機を高温側冷
媒閉回路の圧縮機の吸入低温冷媒によって冷却し、低温
側冷媒閉回路の圧縮機の高温による損傷を防止してい
る。

（ハ）発明が解決しようとする課題 前記特開昭62−73046号では第１の冷媒閉回路の低圧側
配管をそのまま第２の冷媒閉回路のオイルクーラーとし
て引き込んでいるため、第１の冷媒閉回路の圧縮機への
吸込冷媒ガスの温度が高くなり過ぎ、逆に第１の冷媒閉
回路の圧縮機が高温となって破損してしまう問題があっ
た。

本発明は斯かる課題を解決して故障が生じず、安定した
極低温を得ることができる冷凍装置を提供するものであ
る。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明はそれぞれ圧縮機から吐出された冷媒を凝縮した
後蒸発せしめて冷却作用を発揮する独立した第１及び第
２の冷媒閉回路とから成り、第２の冷媒閉回路には沸点
の異なる複数種の混合冷媒を充填し、且つ第２の冷媒閉
回路の圧縮機から蒸発器に至る高圧側冷媒配管と第１の
冷媒閉回路の蒸発器との間に熱交換器を構成して冷凍装
置を構成すると共に、第１の冷媒閉回路の圧縮機の吸入
側に至る低圧側冷媒配管に接続した分岐配管により第２
の冷媒閉回路の圧縮機のオイルクーラーを構成したもの
である。

（ホ）作用 本発明によれば第１の冷媒閉回路の圧縮機に吸入される
低温冷媒を分流せられ、一部が第２の冷媒閉回路の圧縮
機の冷却に使用されるので、第１の冷媒閉回路の圧縮機
の吸入冷媒の温度が異常に上昇しない。

（ヘ）実施例 次に図面に於いて本発明の実施例を説明する。第１図は
本発明の冷凍装置（Ｒ）の冷媒回路（１）を示してい
る。冷媒回路（１）はそれぞれ独立した第１の冷媒閉回
路としての高温側冷媒回路（２）と第２の冷媒閉回路と
しての低温側冷媒回路（３）とから構成されている。
（４）は高温側冷媒回路（２）を構成する一相若しくは
三相交流電源を用いる電動圧縮機であり、電動圧縮機
（４）の吐出側配管（4D）は補助凝縮器（５）に接続さ
れ、補助凝縮器（５）は更に後に詳述する冷凍庫の貯蔵
室開口縁を加熱する露付防止パイプ（６）に接続され、
次に電動圧縮機（４）のオイルクーラー（７）に接続さ
れた後、凝縮器（８）に接続される。（９）は凝縮器
（８）冷却用の送風機である。凝縮器（８）を出た高圧
側冷媒配管（200）は乾燥器（12）を経た後、減圧器（1
3）を介して蒸発器を構成する蒸発器部分としての第１
蒸発器（14A）と第２蒸発器（14B）を経てアキュムレー
タ（15）に接続された後、低圧側冷媒配管（201）を経
て電動圧縮機（４）の吸入側配管（4S）に接続される。
この低圧側冷媒配管（201）には分岐配管（202）の入口
側（202A）及び出口側（202B）が接続され、中途部を低
温側冷媒回路（３）の電動圧縮機（10）のオイルクーラ
ー（11）とされている。第１蒸発器（14A）と第２蒸発
器（14B）は直列に接続され、全体として高温側冷媒回
路（２）の蒸発器を構成している。

高温側冷媒回路（２）には共沸混合冷媒であるR500が充
填されている。電動圧縮機（４）から吐出された高温ガ
ス状冷媒は、補助凝縮器（５）、露付防止パイプ
（６）、オイルクーラー（７）及び凝縮器（８）で凝縮
されて放熱液化した後、乾燥器（12）で含有する水分を
除去され、減圧器（13）にて減圧されて第１及び第２蒸
発器（14A），（14B）に次々に流入して冷媒R500が蒸発
し、気化熱を周囲から吸入して各蒸発器（14A），（14
B）を冷却し、冷媒液溜めとしてのアキュムレータ（1
5）に流入する。

この時、電動圧縮機（４）の能力は例えば1.5HPであ
り、運転中の各蒸発器（14A），（14B）の最終到達温度
は−35℃程になる。この時冷媒R500は各蒸発器（14
A），（14B）では全部は蒸発せず、従ってアキュムレー
タ（15）から出て低圧側冷媒配管（201）を流れる冷媒
の湿り度は高く、温度は−25℃前後となっている。この
低温ガス冷媒の一部は入口側（202A）から分岐配管（20
2）に流入し、残りの一部はそのまま吸入側配管（4S）
より電動圧縮機（４）に帰還する。分岐配管（202）に
流入した湿り度の高い冷媒はオイルクーラー（11）に至
り、そこで低温側冷媒回路（３）の電動圧縮機（10）内
の潤滑油と熱交換してそれを冷却し、電動圧縮機（10）
の焼付けや潤滑油の劣化を防止する。

オイルクーラー（11）から出る冷媒は＋20℃程の温度と
なって出口側（202B）より電動圧縮機（４）に吸入され
る。従って総ての吸入冷媒をオイルクーラー（11）に流
すと低温側冷媒回路（３）の電動圧縮機（10）の焼付き
防止効果は向上するものの、今度は高温側冷媒回路
（２）の電動圧縮機（４）への吸入ガス冷媒の温度が高
くなり過ぎるため、電動圧縮機（４）が焼付きを起こし
て破損してしまう。これに対して本発明では低圧側冷媒
配管（201）を流れる冷媒を分岐配管（202）にて分流
し、例えば40％をそのまま電動圧縮機（４）に吸入せし
め、60％をオイルクーラー（11）を経て電動圧縮機
（４）に吸入されるように構成している。これによっ
て、電動圧縮機（４），（10）双方の焼付きを防止して
安定した動作を達成している。

低温側冷媒回路（３）を構成する電動圧縮機（10）の吐
出側配管（10D）は補助凝縮器（17）に接続された後油
分離器（18）に接続される。油分離器（18）からは電動
圧縮機（10）に戻る油戻し管（19）と高圧側冷媒配管
（203）に分かれる。高圧側冷媒配管（203）中には第１
凝縮パイプ（23A）と第２凝縮パイプ（23B）が直列に接
続され、それぞれ第１蒸発器（14A）及び第２蒸発器（1
4B）内に挿入されている。第１蒸発器（14A）と第１凝
縮パイプ（23A）及び第２蒸発器（14B）と第２凝縮パイ
プ（23B）はそれぞれカスケードコンデンサ（25A）及び
（25B）を構成している。第２凝縮パイプ（23B）は乾燥
器（28）を経て第１の気液分離器（29）に接続される。
気液分離器（29）から出た気相配管（30）は第１の中間
熱交換器（32）内を通過して第２の気液分離器（33）に
接続される。気液分離器（29）から出た液相配管（34）
は減圧器（36）を経て第１の中間熱交換器（32）と第２
の中間熱交換器（42）の間に接続される。気液分離器
（33）から出た液相配管（38）は第３の中間熱交換器
（44）に熱交換的に配設した乾燥器（39）を経た後減圧
器（40）を経て第２の中間熱交換器（42）と第３の中間
熱交換器（44）の間に接続される。気液分離器（33）か
ら出た気相配管（43）は第２の中間熱交換器（42）内を
通過した後、第３の中間熱交換器（44）内を通過し、同
様に第３の中間熱交換器（44）に熱交換的に配設した乾
燥器（45）を経て減圧器（46）に接続される。減圧器
（46）は蒸発器としての蒸発パイプ（47）に接続され、
更に蒸発パイプ（47）は第３の中間熱交換器（44）に接
続される。第３の中間熱交換器（44）は第２（42）及び
第１の中間熱交換器（32）に次々に接続された後、アキ
ュムレータ（49）に接続され、アキュムレータ（49）は
更に第１の吸入側熱交換器（24）に接続され、更に第２
の吸入側熱交換器（22）を経て電動圧縮機（10）の吸入
側配管（10S）に接続される。吸入側配管（10S）には更
に電動圧縮機（10）停止時に冷媒を貯留する膨張タンク
（51）が減圧器（52）を介して接続される。

低温側冷媒回路（３）には沸点の異なる五種類の混合冷
媒が封入される。即ち、R22（クロロジフルオロメタ
ン）、R12（ジクロロジフルオロメタン）、R13B1（プロ
モトリフルオロメタン）、R14（テトラフルオロメタ
ン）及びR50（メタン）から成る混合冷媒が予め混合さ
れた状態で封入される。各冷媒の組成は例えばR50が5.5
重量％、R14が24.4重量％、R13B1が39.7重量％、R12が2
5.7重量％、R22が4.7重量％である。R50はメタンであり
酸素との結合にて爆発を生じるが上記割合の各フロン冷
媒と混合することによって爆発の危険性は無くなる。従
って混合冷媒の漏洩事故が発生したとしても爆発事故は
発生しない。

ここで実施例では高温側冷媒回路（２）の蒸発器を二つ
の蒸発器部分即ち第1,第２蒸発器（14A），（14B）に分
割し、低温側冷媒回路（３）の高圧側配管を第1,第２凝
縮パイプ（23A），（23B）に分割したことにより、二つ
のカスケードコンデンサ（25A），（25B）を構成した
が、それに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で
更に多くのカスケードコンデンサに分割しても何等差支
えない。

次に冷媒の循環を説明すると、電動圧縮機（10）から吐
出された高温高圧のガス状混合冷媒は補助凝縮器（17）
にて予冷された後、油分離器（18）にて冷媒と混在して
いる電動圧縮機（10）の潤滑油の大部分を油戻し管（1
9）にて電動圧縮機（10）に戻し、冷媒自体は第１凝縮
器（23A）及び第２凝縮器（23B）に次々に流入して、そ
れぞれカスケードコンデンサ（25A）及び（25B）にて第
１（14A）及び第２蒸発器（14B）より冷却されて混合冷
媒中の沸点の高い冷媒を凝縮液化せられる。

第２凝縮器（23B）を出た混合冷媒は乾燥器（28）を経
て気液分離器（29）に流入する。この時点では混合冷媒
中のR14とR50は沸点が極めて低い為に未だ凝縮されてお
らずガス状態であり、R22とR12とR13B1の一部のみが凝
縮液化されている為、R14とR50は気相配管（30）に、R2
2とR12とR13B1の一部は液相配管（34）へと分離され
る。気相配管（30）に流入した冷媒混合物は第１の中間
熱交換器（32）と熱交換して凝縮された後、気液分離器
（33）に至る。ここで第１の中間熱交換器（32）には蒸
発パイプ（47）より帰還して来る低温の冷媒が流入し、
更に液相配管（34）に流入したR13B1の一部が減圧器（3
6）で減圧された後、第１の中間熱交換器（32）に流入
してそこで蒸発することにより冷却に寄与する為、第１
の中間熱交換器（32）の温度は−60℃程となっている。
従って気相配管（30）を通過した混合冷媒中の残りのR1
3B1とR14の一部は凝縮液化され、R50は更に沸点が低い
為に未だガス状態である。よってR13B1とR14の一部は気
液分離器（33）から液相配管（38）へ又、R50と残りのR
14は気相配管（43）へと分離され、R13B1とR14の一部は
乾燥器（39）を経て減圧器（40）にて減圧され第２の中
間熱交換器（42）と第３の中間熱交換器（44）の間に流
入して第２の中間熱交換器（42）内で蒸発する。第２の
中間熱交換器（42）には蒸発パイプ（47）からの帰還低
温冷媒が流入すると共にR13B1とR14の蒸発が更に冷却に
寄与するため、第２の中間熱交換器（42）の温度は−85
℃程となっている。更に第３の中間熱交換器（44）には
蒸発パイプ（47）からの帰還低温冷媒が直ぐに流入して
いるために、その温度は−105℃程の極めて低い温度と
なっているので、第２及び第３の中間熱交換器（42），
（44）と熱交換した気相配管（43）を通過する最も沸点
の低い冷媒R50と残りのR14は凝縮液化され、乾燥器（4
5）を経て減圧器（46）にて減圧された後、蒸発パイプ
（47）に流入してそこで蒸発する。この時の蒸発パイプ
（47）の温度は−140℃に到達している。これが本発明
の冷凍装置（Ｒ）の最終到達温度であり、この蒸発パイ
プ（47）を後述する冷凍庫の貯蔵室に熱交換的に配設す
ることにより貯蔵室内を−135℃の超低温の環境とする
ことが可能となる。蒸発パイプ（47）から流出した冷媒
は前述の如く第3,第2,第１の中間熱交換器（44），（4
2），（32）に次々に流入、流出し、各冷媒R14,R13B1,R
12及びR22と合流しながらアキュムレータ（49）にて未
蒸発の冷媒を分離した後、電動圧縮機（10）に吸入され
る。

ここで第１の気液分離器（29）にて液相配管（34）に流
入したR12とR22は第１の中間熱交換器（32）に流入する
ものの、既に極めて低い温度となっているため蒸発せず
液状態のままであり、従って冷却に何等寄与しないが、
油分離器（18）で分離し切れなかった残留潤滑油や各乾
燥器で吸収し切れなかった混入水分をその内に溶け込ま
せた状態で電動圧縮機（10）に帰還せしめる機能を奏す
る。電動圧縮機（10）の潤滑油や水が低温側冷媒回路
（13）内を循環すると超低温であることにより、各部に
残留する現象が発生し、目詰りの原因となる。その為に
R12とR22で略完全なる潤滑油と水分の帰還を達成してい
る。

以上を繰り返えすことにより冷媒回路（１）は定常状態
で蒸発パイプ（47）に−140℃の超低温を発生する様動
作するが、電動圧縮機（４），（10）は1.5HP程度の能
力で済み、格別大なる能力を必要としない。これはカス
ケードコンデンサ（25A），（25B）部分の熱交換が良好
に行なわれている事と混合冷媒の選択が大きく寄与して
いる。これによって電動圧縮機による騒音の削減と低消
費電力が達成される。又、−140℃の達成によって後述
する冷凍庫内の生体資料を氷の再結晶化点より低い温度
に冷却する事が可能となり、永久保存が達成されること
になる。

次に第２図は本発明を適用せる冷凍庫（75）の前方斜視
図を示し、第３はその要部断面図を示す。更に第４図は
冷凍装置（Ｒ）の冷媒回路（１）の具体的構成を説明す
る図である。冷凍庫（75）は理化学実験室等に設置され
るものであり、（74）は上方開口の貯蔵室（76）を内部
に形成する本体であり、その上方開口は後辺を回動自在
を枢支された断熱扉（77）によって開閉自在に閉塞され
ている。本体（74）側部には温度調節器（61）や電動圧
縮機（４），（10）等を収容設置する機械室（78）が形
成されており、その前面には貯蔵室（76）内の温度を感
知して記録紙にその時間推移を記録する自記温度記録計
（79）や貯蔵室（76）の異常高温で警報を発する衆知の
警報器（80）及び温度調節器（61）の設定変更用摘み
（81）が設けられる。又、（82）は通気用スリットであ
る。

第３図は本体（74）部分の側断面図を示している。（8
3）は上方開口の鋼板製外箱、（84）は同様に上方開口
のアルミニウム製内箱であり、内箱（84）は外箱（83）
内に組み込まれ、内箱（83），（84）間にそれぞれ独立
した上方に開口した箱状の外断熱材（85）及び内断熱材
（86）から成る二重の断熱層が形成されて両箱（83），
（84）の開口縁はブレーカ（87）で接続されている。内
箱（84）の外面には蒸発パイプ（47）が熱伝導的に配設
され、内断熱材（86）内に埋設されており、又、外箱
（76）開口縁内面には露付防止パイプ（６）が熱伝導的
に配設されている。内断熱材（86）は外断熱材（85）内
に載置されているのみで完全に分離しているため、蒸発
パイプ（47）の冷却作用によって内断熱材（86）が収縮
しても外断熱材（85）には何等影響を与えず、従って断
熱材の割れが発生せず、又、十分なる断熱性能も維持す
るものである。外箱（83）背面には開口（88）が形成さ
れ、又、外断熱材（85）にもそれに対応して切欠（89）
が形成されており、この切欠（89）内に開口（88）より
後述する如き断熱材（90）によってモールドされたカス
ケードコンデンサ（25A），（25B）等が収納配設された
覆板（91）にて覆われている。（92）は発砲スチロール
製の内蓋、（93）は断熱扉（77）内周面のガスケット、
（94）は運搬用キャスターである。

次に第４図は冷凍装置（Ｒ）の冷媒回路（１）の具体的
構成を示すもので、図中第１図と同一符号は同一のもの
である。低温側冷媒回路（３）の補助凝縮器（17）は空
気吸引型の送風機（９）に対して高温側冷媒回路（２）
の凝縮器（８）の風上側に配置せられ同時に冷却される
様にしている。第１及び第２蒸発器（14A），（14B）は
内部中空のタンク状を成しており、この内部に上方より
螺旋状に巻回成形された第１及び第２凝縮パイプ（23
A），（23B）がそれぞれ挿入されている。（96）は各中
間熱交換器（32），（42），（44）等から成りそれを断
熱材（97）によってモールドして箱状と成した中間熱交
換器部を示している。蒸発パイプ（47）は内箱（84）外
面に予めアルミニウムテープ或いは接着剤等によって蛇
行状に固定されるものであるが、貯蔵室（76）内各部の
温度分布を出来る丈少なくするために、冷媒の流れる順
序が、内箱（84）の上部周囲から下部周囲へ回り、最後
に底辺を回る様に配設されている。

（ト）発明の効果 本発明は以上の如き構成としたので、第１の冷媒閉回路
の蒸発器と第２の冷媒閉回路の高圧側配管との間に熱交
換器を構成し、第２の冷媒閉回路には沸点の異なる複数
種の混合冷媒を充填したものにおいて、第１の冷媒閉回
路の圧縮機の吸入側に至る低圧側配管に接続した分岐配
管により第２の冷媒閉回路の圧縮機のオイルクーラーを
構成したので、第１の冷媒閉回路の低圧側配管を流れて
帰還する低温冷媒の一部はそのまま圧縮機に吸入され、
一部は第２の冷媒閉回路の圧縮機を冷却した後、第１の
冷媒閉回路の圧縮機に吸入されるので、第１の冷媒閉回
路の圧縮機の焼付きを防止しつつ、同時に第２の冷媒閉
回路の圧縮機の焼付きを防止でき、安定した冷却運転が
達成でき、通常の圧縮機により極めて低い凍結温度を安
定的に得ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は冷凍装置の冷媒回路図、第２図は冷凍庫の斜視
図、第３図は冷凍庫本体の側断面図、第４図は冷凍装置
の冷媒回路の具体的構成を示す図である。 （２）……高温側冷媒回路、（３）……低温側冷媒回
路、（４），（10）……電動圧縮機、（11）……オイル
クーラー、（201）……低圧側冷媒配管、（202）……分
岐配管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれ圧縮機から吐出された冷媒を凝縮
   した後蒸発せしめて冷却作用を発揮する独立した第１及
   び第２の冷媒閉回路とから成り、前記第２の冷媒閉回路
   には沸点の異なる複数種の混合冷媒を充填し、且つ第２
   の冷媒閉回路の圧縮機から蒸発器に至る高圧側冷媒配管
   と前記第１の冷媒閉回路の蒸発器との間に熱交換器を構
   成すると共に、前記第１の冷媒閉回路の圧縮機の吸入側
   に至る低圧側冷媒配管に接続した分岐配管により前記第
   ２の冷媒閉回路の圧縮機のオイルクーラーを構成した事
   を特徴とする冷凍装置。