KR101364317B1 - 냉동 장치 - Google Patents

Abstract

압축기에의 부하를 경감시킬 수 있는 동시에, 운전 효율의 향상을 도모할 수 있는 냉동 장치를 제공한다. 본 발명은 고온측 냉매 회로(25)의 증발기(34)와 저온측 냉매 회로(38)의 응축 파이프(42)로 캐스케이드 열교환기(43)를 구성하고, 저온측 냉매 회로(38)의 증발 파이프(62)에서 초저온을 얻는 소위 2원 다단 방식의 냉동 장치(1)에 있어서, 저온측 냉매 회로(38)의 압축기(20)의 토출측에 설치되고, 비공비 혼합 냉매 중의 오일을 분리하여 압축기(20)로 복귀시키기 위한 오일 분리기(43)를 구비하고, 상기 오일 분리기(43)와 압축기(20) 사이에 방열기(39)를 개재 설치하였다.

압축기, 응축 파이프, 냉매 회로, 오일 분리기, 냉동 장치

Description

냉동 장치 {REFRIGERATION SYSTEM}

본 발명은 독립된 2계통의 냉매 회로를 구성하고, 고온측 냉매 회로의 증발기와 저온측 냉매 회로의 응축기로 열교환기를 구성하는 소위 2원 냉동 방식의 냉동 장치에 관한 것이다.

종래부터, 예를 들어 세포나 미생물 등을 보관한다고 하는 바이오 분야에 있어서 이용되는 초저온 냉동 장치는 2원 냉동 장치가 이용되고 있다. 도7은 2원 냉동 장치를 이용한 냉동 장치(135)의 냉매 회로도를 도시하고 있다. 냉매 회로(100)는 고온측 냉동 사이클(101)과, 저온측 냉동 사이클(102)로 구성되어 있다. 고온측 냉동 사이클(101)을 구성하는 압축기(103)의 토출측 배관(103D)은 보조 응축기(105)에 접속되고, 보조 응축기(105)는 프레임 파이프(104)[프레임 파이프는 본원의 프레임 파이프(27)를 참조]에 접속된 후, 압축기(103)의 오일 쿨러(106)를 통해 응축기(107)에 접속된다. 응축기(107)는 응축기용 송풍기(116)에 의해 냉각된다. 그리고 응축기(107)의 출구측 냉매 배관은 건조기(108) 및 감압기(109)를 차례로 거쳐서 증발기를 구성하는 증발기 부분으로서의 증발기(110)에 접속된다. 증발기(110)의 출구측 냉매 배관에는 어큐뮬레이터(111)가 접속되고, 당해 어큐뮬레이터(111)를 나온 냉매 배관은 압축기(103)의 흡입측 배관(103S)에 접속된다.

한편, 저온측 냉동 사이클(102)을 구성하는 압축기(113)의 토출측 배관(113D)에는 오일 분리기(114)가 접속되고, 이 오일 분리기(114)의 출구측에 접속된 냉매 배관은 상기 증발기(110) 내에 삽입된 고온측 배관으로서의 응축 파이프(115)에 접속된다. 이 응축 파이프(115)는 증발기(110)와 함께 캐스케이드 열교환기(130)를 구성하고 있다.

그리고 응축 파이프(115)의 출구측에 접속되는 토출 배관은 건조기(131)를 통해 제1 기액 분리기(116)에 접속되고, 당해 기액 분리기(116)에 의해 분리된 기상 냉매는 기상 배관을 통해 제1 중간 열교환기(117) 내를 통과하여, 제2 기액 분리기(118)로 유입된다. 기액 분리기(116)에서 분리된 액상 냉매는, 액상 배관을 통해 건조기(119), 감압기(120)를 거쳐 제1 중간 열교환기(117)로 유입되어 기상 냉매를 증발시킴으로써 냉각하고 있다.

제2 기액 분리기(118)에 의해 분리된 액상 냉매는, 액상 배관에 의해 건조기(121)를 거친 후 감압기(122)를 거쳐 제2 중간 열교환기(123)로 유입된다. 제2 기액 분리기(118)에 의해 분리된 기상 냉매는, 기상 배관을 통해 제2 중간 열교환기(123) 내를 통과하고, 제3 중간 열교환기(124) 내를 통과하고, 또한 건조기(125)를 거쳐 감압기(126)로 유입된다. 감압기(126)는 냉동 장치의 단열 상자체(132)의 저장실측의 내벽에 열교환적으로 배치되는 증발기로서의 증발 파이프(127)에 접속되고, 또한 증발 파이프(127)는 제3 중간 열교환기(124)에 접속된다.

제3 중간 열교환기(124)는 제2 및 제1 중간 열교환기에 잇따라 접속된 후, 압축기(113)의 흡입측 배관(113S)에 접속된다. 이 흡입측 배관(113S)에는 또한 압 축기(113)의 정지시에 냉매를 저류하는 팽창 탱크(128)가 감압기(129)를 통해 접속되어 있다.

이러한 냉동 장치(135)에서는, 특히 저온측 냉동 사이클(102)에 끓는점이 상이한 복수 종류의 혼합 냉매를 이용함으로써, 저온측 냉동 사이클(102)의 증발 파이프(127)는 -150 ℃ 이하의 초저온을 얻는 것이 가능해진다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 제3208151호 공보

그러나 상술한 바와 같은 구성의 냉동 장치에서는, 동일한 능력의 압축기를 이용하여 보다 큰 용적의 저장실 내를 약 -150 ℃ 정도의 초저온으로 냉각하는 경우에는, 압축기에 가해지는 부하가 증대되는 문제가 있다. 그로 인해, 저장실의 용량에 따른 압축기를 선택할 필요가 있다. 그러나 보다 큰 저장실을 냉각하기 위해서는 보다 능력이 큰 압축기를 선택해야 하고, 이러한 경우에는 장치의 대형화, 비용의 상승 등을 수반하는 문제가 있었다. 또한, 사용하는 압축기의 능력이 커짐에 따라서 소비 전력량의 증가를 수반하므로, 보다 효율적으로 저장실 내를 -150 ℃ 이하의 초저온으로까지 냉각 가능하게 하는 냉동 장치의 개발이 요망되고 있었다.

그래서 본 발명은 종래의 기술적 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 압축기에의 부하를 경감시킬 수 있는 동시에, 운전 효율의 향상을 도모할 수 있는 냉동 장치를 제공한다.

본 발명의 냉동 장치는, 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후 증발시켜 냉각 작용을 발휘하는 독립된 냉매 폐회로를 구성하는 고온측 냉매 회로와 저온측 냉매 회로를 구비하고, 상기 저온측 냉매 회로는 압축기, 응축기, 증발기, 상기 증발기로부터의 귀환 냉매가 유통하도록 직렬 접속된 복수의 중간 열교환기 및 복수의 감압 장치를 갖고, 복수 종류의 비공비(非共沸) 혼합 냉매가 봉입되고, 응축기를 거친 냉매 중의 응축 냉매를 감압 장치를 통해 중간 열교환기에 합류시키고, 상기 중간 열교환기에서 냉매 중의 미응축 냉매를 냉각함으로써 차례로 보다 낮은 끓는점의 냉매를 응축시키고, 최종단의 감압 장치를 통해 최저 끓는점의 냉매를 증발기로 유입시키는 동시에, 고온측 냉매 회로의 증발기와 저온측 냉매 회로의 응축기로 캐스케이드 열교환기를 구성하고, 저온측 냉매 회로의 증발기에서 초저온을 얻는 것이며, 저온측 냉매 회로의 압축기의 토출측에 설치되고, 비공비 혼합 냉매 중의 오일을 분리하여 압축기로 복귀시키기 위한 오일 분리기를 구비하고, 상기 오일 분리기와 압축기 사이에 방열기를 개재 설치한 것을 특징으로 한다.

청구항 2의 발명의 냉동 장치는, 상기 발명에 있어서 비공비 혼합 냉매에는 적어도 다른 냉매에 비해 오일과의 상용성(相溶性)이 양호하고, 또한 끓는점이 높은 냉매가 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후 증발시켜 냉각 작용을 발휘하는 독립된 냉매 폐회로를 구성하는 고온측 냉매 회로와 저온측 냉매 회로를 구비하고, 상기 저온측 냉매 회로는 압축기, 응축기, 증발기, 상기 증발기로부터의 귀환 냉매가 유통하도록 직렬 접속된 복수의 중간 열교환기 및 복수의 감압 장치를 갖고, 복수 종류의 비공비 혼합 냉매가 봉입되고, 응축기를 거친 냉매 중의 응축 냉매를 감압 장치를 통해 중간 열교환기에 합류시키고, 상기 중간 열교환기에서 냉매 중의 미응축 냉매를 냉각함으로써 차례로 보다 낮은 끓는점의 냉매를 응축시키고, 최종단의 감압 장치를 통해 최저 끓는점의 냉매를 증발기로 유입시키는 동시에, 고온측 냉매 회로의 증발기와 저온측 냉매 회로의 응축기로 캐스케이드 열교환기를 구성하고, 저온측 냉매 회로의 증발기에서 초저온을 얻는 냉동 장치에 있어서, 저온측 냉매 회로의 압축기의 토출측에 설치되고, 비공비 혼합 냉매 중의 오일을 분리하여 압축기로 복귀시키기 위한 오일 분리기를 구비하고, 상기 오일 분리기와 압축기 사이에 방열기를 개재 설치한 것에 의해, 저온측 냉매 회로에 있어서의 각 냉매의 증발 온도의 차를 이용하여 복수의 열교환기에서 아직 기상 상태에 있는 냉매를 잇따라 응축시켜, 최종단의 증발기에 있어서 -150 ℃라고 하는 초저온을 달성할 수 있다.

특히, 저온측 냉매 회로의 압축기의 토출측에는 오일 분리기와의 사이에 방열기가 개재 설치되어 있으므로, 당해 방열기에 의해 저온측 냉매 회로의 캐스케이드 열교환기로 들어가는 냉매 온도를 낮추는 것이 가능해진다. 이에 의해, 양 냉매 회로의 압축기의 부하를 경감시키는 것이 가능해져, 운전 효율의 개선을 실현하는 것이 가능해진다.

또한, 청구항 2의 발명에 따르면, 상기 발명에 있어서 비공비 혼합 냉매에는 적어도 다른 냉매에 비해 오일과의 상용성이 양호하고, 또한 끓는점이 높은 냉매가 포함되는 것에 의해 비공비 혼합 냉매에 혼합되는 오일 캐리어 냉매가 방열기에서 액화됨으로써, 오일과 함께 오일 분리기로부터 압축기로 귀환되므로, 보다 순도가 높은 저끓는점 냉매가 캐스케이드 열교환기보다 후방단의 회로로 흐르게 되어 한층 더 효율적으로 초저온이 얻어지게 된다.

이에 의해, 동일한 능력의 압축기라도, 보다 큰 용적의 피냉각 대상인 저장실 내를 소정의 초저온으로까지 냉각하는 것이 가능해져 장치 전체가 대형화되지 않고 수납 용량의 증대를 도모하는 것이 가능해진다.

도1은 본 발명을 적용한 냉동 장치의 사시도이다.

도2는 도1의 냉동 장치의 정면도이다.

도3은 도1의 냉동 장치의 평면도이다.

도4는 도1의 냉동 장치의 저장실 내를 투시한 상태의 측면도이다.

도5는 천장면 패널을 개방한 상태의 냉동 장치의 사시도이다.

도6은 도1의 냉동 장치의 냉매 회로도이다.

도7은 종래의 냉동 장치의 냉매 회로도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세하게 서술한다. 도1은 본 발명을 적용한 냉동 장치(1)의 사시도, 도2는 냉동 장치(1)의 정면도, 도3은 냉동 장치(1)의 평면도, 도4는 냉동 장치(1)의 저장실(4) 내를 투시한 상태의 측면도, 도5는 천장면 패널(5)을 개방한 상태의 냉동 장치(1)의 사시도를 도시하고 있다. 본 실시예의 냉동 장치(1)는, 예를 들어 장기 저온 보존을 행하는 생체 조직이나 검체 등의 초저온 보존에 적합한 것이며, 상면으로 개방하는 단열 상자체(2) 와, 당해 단열 상자체(2)의 측방에 위치하고 내부에 압축기(10) 등이 설치되는 기계실(3)에 의해 본체가 구성되어 있다.

이 단열 상자체(2)는 모두 상면을 개방한 강판제의 외부 상자(6)와 열전도성이 좋은 알루미늄 등의 금속제의 내부 상자(7)와, 이들 양 상자(6, 7)의 상단부 사이를 접속하는 합성 수지제의 브레이커(8)와, 이들 외부 상자(6), 내부 상자(7) 및 브레이커(8)로 둘러싸인 공간 내를 현장 발포 방식으로 충전한 폴리우레탄 수지제의 단열재(9)로 구성되어 있고, 내부 상자(7) 내를 상면이 개방된 저장실(4)로 하고 있다.

본 실시예에서는, 목표로 하는 저장실(4) 내 온도(이하, 고내 온도라 함)를, 예를 들어 -150 ℃ 이하로 하므로, 저장실(4) 내와 외기를 구획하는 단열 상자체(2)는 고내 온도를 0 ℃ 부근으로 설정하는 저온에 비해 큰 단열 능력이 필요하게 된다. 그로 인해, 상술한 바와 같은 폴리우레탄 수지제의 단열재(9)에 의해서만 당해 단열 능력을 확보하기 위해서는 매우 두껍게 형성해야 해, 제한된 본체 치수로는 저장실(4) 내의 수납량을 충분히 확보할 수 없다고 하는 문제가 있다.

그로 인해, 본 실시예에 있어서의 단열 상자체(2)는 외부 상자(6)의 전방벽(6A), 후방벽(6B) 및 기계실(3)이 설치되는 측과는 반대측에 위치하는 측벽(6C)의 각 내벽면에 글래스울제의 진공 단열 패널(12)이 배치되고, 일단 양면 점착 테이프로 임시 고정한 후, 이들 양 상자(6, 7)와의 사이에 단열재(9)를 현장 발포 방식으로 충전한다.

이 진공 단열 패널(12)은 통기성을 갖지 않는 알루미늄이나 합성 수지 등으 로 이루어지는 다층 필름에 의해 구성되는 용기에 단열성을 갖는 글래스울을 수납한다. 그 후, 소정의 진공 배기 수단에 의해 용기 내의 공기를 배출하여, 당해 용기의 개구부를 열용착에 의해 접합함으로써 구성되는 것이다. 그로 인해, 이 진공 단열 패널(12)은 당해 단열 성능에 의해 종래보다도 단열재(9)의 두께 치수를 얇게 하면서 동일한 단열 효과를 얻을 수 있다.

한편, 내부 상자(7)의 단열재(9)측의 주위면에는, 상세한 것은 후술하는 냉각 장치(R)의 냉매 회로를 구성하는 증발기(증발 파이프)(62)가 열교환적으로 장착된다.

그리고 상술한 바와 같이 구성되는 단열 상자체(2)의 브레이커(8)의 상면은, 도2나 도4에 도시되는 바와 같이 계단 형상으로 성형되어 있고, 거기에 도시하지 않은 패킹을 통해 단열 도어(13)가 일단부, 본 실시예에서는 후단부를 중심으로 피봇 지지 부재(14, 14)에 의해 회전 가능하게 설치된다. 또한, 당해 저장실(4)의 상면 개구는 단열 재료로 구성되는 내부 덮개(15)가 개폐 가능하게 설치되어 있다. 또한, 단열 도어(13)의 하면에는 하방으로 돌출되어 구성되는 압박부가 형성되어 있고, 이에 의해 단열 도어(13)의 압박부가 내부 덮개(15)를 압박하고, 이에 의해 저장실(4)의 상면 개구는 개폐 가능하게 폐색된다. 또한, 단열 도어(13)의 타단부, 본 실시예에서는 전단부에는 손잡이부(16)가 설치되어 있고, 당해 손잡이부(16)를 조작함으로써 단열 도어(13)가 개폐 조작된다.

한편, 단열 상자체(2)의 측방에는 전방면 패널(3A), 도시하지 않은 후방면 패널 및 단열 상자체(2)가 설치되는 측과는 반대측의 측면을 구성하는 측면 패 널(3B)에 의해 기계실(3)이 설치되어 있다. 본 실시예에 있어서의 기계실(3)은 내부를 상하로 구획하는 구획판(17)이 설치되어 있다. 구획판(17)의 하방에는, 상술한 바와 같은 냉각 장치(R)를 구성하는 압축기(10, 20) 등이 수용 설치되어 있고, 당해 구획판(17) 하방에 위치하는 전방면 패널(3A) 및 측면 패널(3B)에는 통기용 슬릿(3C)이 형성되어 있다.

구획판(17)의 상방에는 상면이 개방되는 상부 기계실(18)로 되어 있다. 당해 상부 기계실(18)의 상면 개구에는 천장면 패널(5)이 일단부, 본 실시예에서는 후단부를 중심으로 회전 가능하게 설치되어 있고, 이에 의해 상부 기계실(18) 내는 개폐 가능하게 폐색된다. 또한, 상부 기계실(18)의 전방면에 위치하여 설치되는 패널은 당해 냉동 장치(1)를 조작하기 위한 조작 패널(21)이다.

이 상부 기계실(18)을 구성하는 단열 상자체(2)측의 측면에는, 측정 구멍(19)이 형성되어 있다. 이 측정 구멍(19)은 인접하여 설치되는 단열 상자체(2) 내에 형성되는 저장실(4)과 연통되도록, 단열 상자체(2)를 구성하는 외부 상자(6), 단열재(9) 및 내부 상자(7)를 관통하여 형성된다. 측정 구멍(19)은 외부로부터 저장실(4) 내에 온도 센서를 삽입하는 것이 가능하고, 당해 온도 센서로부터 인출되는 배선은 측정 구멍(19)을 통해 외부의 기록 장치 본체에 접속되어 있다. 그리고 이 측정 구멍(19)은 배선과의 간극을 스펀지 형상의 변형 가능, 또한 단열성을 갖는 특수 재료로 구성되는 마개(19A)에 의해 폐색된다. 또한, 온도 센서가 장착되어 있지 않은 상태에서는, 측정 구멍(19)은 당해 마개(19A)에 의해 단열적으로 폐색된다.

이에 의해, 저장실(4) 내의 온도 등을 측정, 기록 등을 행하는 기기를 이용할 때에는 기계실(3)에 설치되는 천장면 패널(5)을 개방하고, 상부 기계실(18) 내에 위치하는 단열 상자체(2)측의 측면에 형성되는 측정 구멍(19)을 통해 당해 측정 기기를 저장실(4) 내에 삽입하는 것이 가능해진다. 그로 인해, 측정 기기를 소정의 초저온으로까지 냉각된 저장실(4) 내에 설치하는 작업이 용이해진다.

특히, 본 실시예에 있어서의 측정 구멍(19)은 종래의 냉동 장치에 설치되는 측정 구멍과 달리, 단열 상자체(2)의 기계실(18)측의 측면에 형성되어 있으므로, 당해 냉동 장치(1)를 실험실 등의 설치 환경의 벽이나 다른 기기에 인접하여 설치하는 경우라도 각별히 측정 구멍(19)을 사용하기 위해 필요한 간격을 가질 필요가 없어진다. 이에 의해, 냉동 장치(1)의 설치에 필요로 하기 위한 면적의 협소화를 도모하는 것이 가능해져, 실험실 등의 레이아웃을 행하는 면에서 적합한 것으로 된다.

또한, 측정 구멍(19)이 기계실(3)과 인접하는 측의 단열 상자체(2)의 벽면에 형성되어 있음으로써, 기계실(3)과 인접하는 이외의 측면, 즉 외부에 면하여 구성되는 단열 상자체(2)의 전후방벽 및 측면에 측정 구멍(19)의 형성 위치에 영향을 미치지 않고, 상술한 바와 같은 진공 단열 패널(12)을 배치하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 저장실(4) 내의 냉열의 누설량을 저감시킬 수 있어, 쓸데없는 냉각 에너지의 낭비를 억제하는 것이 가능해진다.

그로 인해, 저장실(4) 내를 본 실시예와 같이 예를 들어 -150 ℃ 이하와 같은 초저온으로 한 경우라도 단열 상자체(2) 자체의 단열 성능을 향상시키는 것이 가능해지고, 단열벽 치수의 축소를 도모할 수 있어 종래와 동일한 외형 치수라도 저장실(4) 내의 수용 용적의 확대를 도모하는 것이 가능해진다. 혹은, 종래와 동일한 수납 용적이라도 외형 치수를 축소하는 것이 가능해져, 이에 의해서도 냉동 장치(1)의 설치에 필요로 하는 면적의 협소화를 도모하는 것이 가능해진다.

또한, 본 실시예에 있어서의 측정 구멍(19)은 상부 기계실(18)의 상면 개구를 개폐 가능한 천장면 패널(5)에 의해 은폐 가능하게 되므로, 외관에 측정 구멍(19)이 노출되지 않는 구성으로 할 수 있어 외관의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 또한, 천장면 패널(5)을 개방함으로써 용이하게 측정 구멍(19)에의 조작을 행하는 것이 가능해져 작업성의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 구획판(17)을 제거함으로써 구획판(17) 하방에 설치되는 다른 냉각 장치(R)를 구성하는 기기에의 조작도 용이해져 유지 보수 작업의 향상을 도모하는 것이 가능해진다. 당해 천장면 패널(5)은 측정 구멍(19)에의 조작을 행하는 경우 이외에는, 기계실(18) 내를 폐색한 상태로 함으로써 당해 천장면 패널(5)을 작업용의 측대(側臺)로서도 이용하는 것이 가능해져 저장실(4) 내에의 샘플 등의 물품의 출납 작업 등에 적합한 것으로 된다.

또한, 본 실시예에서는 측정 구멍(19)은 상부 기계실(18)의 상면 개구를 폐색하는 천장면 패널(5)에 의해 은폐하고 있지만 이 이외에 한정되는 것은 아니며, 측정 구멍(19) 근방에, 당해 측정 구멍(19)을 은폐하기 위한 덮개 부재 등을 설치해도 좋은 것으로 한다.

다음에, 도6을 참조하여 본 실시예의 냉동 장치(1)의 냉매 회로에 대해 설명 한다. 본 실시예에 있어서의 냉동 장치(1)의 냉매 회로는 다원 다단의 냉매 회로로서 각각 독립된 제1 냉매 회로로서의 고온측 냉매 회로(25)와, 제2 냉매 회로로서의 저온측 냉매 회로(38)의 2원 2단의 냉매 회로에 의해 구성되어 있다.

고온측 냉매 회로(25)를 구성하는 압축기(10)는 1상 혹은 3상 교류 전원을 이용하는 전동 압축기이며, 당해 압축기(10)의 토출측 배관(10D)은 보조 응축기(26)에 접속된다. 이 보조 응축기(26)는 저장실(4) 개구 모서리를 가열하여 이슬 부착을 방지하기 위해, 이 개구 모서리의 이면측에 배치되는 냉매 배관(27)(이하, 프레임 파이프라 함)에 접속된다. 또한, 이 프레임 파이프(27)는 압축기(10)의 오일 쿨러(29)에 접속된 후, 응축기(28)에 접속된다. 그리고 응축기(28)를 나온 냉매 배관은 저온측 냉매 회로(38)를 구성하는 압축기(20)의 오일 쿨러(30)에 접속된 후, 응축기(31)에 접속되고, 당해 응축기(31)를 나온 냉매 배관은 건조기(32) 및 감압 장치로서의 캐필러리 튜브(33)를 순차 거쳐서 증발기를 구성하는 증발기 부분으로서의 증발기(34)에 접속된다. 증발기(34)의 출구측 냉매 배관에는 냉매액 저류부로서의 어큐뮬레이터(35)가 접속되고, 당해 어큐뮬레이터(35)를 나온 냉매 배관은 압축기(10)의 흡입측 배관(10S)에 접속된다. 또한, 본 실시예에 있어서의 보조 응축기(26)와 응축기(28 및 31)는 일체의 응축기로서 구성되어 있고, 응축기용 송풍기(36)에 의해 냉각된다.

고온측 냉매 회로(25)에는 끓는점이 상이한 비공비 냉매로서, R407D와 n-펜탄으로 이루어지는 냉매가 충전된다. R407D는 R32(디플루오로메탄 : CH₂F₂)와, R125(펜타플루오로에탄 : CHF₂CF₃)와, R134a(1,1,1,2-테트라플루오로에탄 : CH₂FCF₃)로 구성되고, 그 조성은 R32가 15 중량％, R125가 15 중량％, R134a가 70 중량％이다. 각 냉매의 끓는점은 R32가 -51.8 ℃, R125가 -48.57 ℃, R134a가 -26.16 ℃이다. 또한, n-펜탄의 끓는점은 +36.1 ℃이다.

압축기(10)로부터 토출된 고온 가스상 냉매는 보조 응축기(26), 프레임 파이프(27), 오일 쿨러(29), 응축기(28), 저온측 냉매 회로(38)의 압축기(20)의 오일 쿨러(30), 응축기(31)에서 응축되어 방열 액화한 후, 건조기(32)에서 함유하는 수분이 제거되고, 캐필러리 튜브(33)에서 감압되어 증발기(34)에 잇따라 유입되어 냉매(R32, R125 및 R134a)가 증발하고, 기화열을 주위로부터 흡수하여 증발기(34)를 냉각하고, 냉매액 저류부로서의 어큐뮬레이터(35)를 거쳐 압축기(10)로 귀환한다.

이때, 압축기(10)의 능력은 예를 들어 1.5HP이고, 운전 중의 증발기(34)의 최종 도달 온도는 -27 ℃ 내지 -35 ℃로 된다. 이러한 저온하에서는 냉매 중의 n-펜탄은 끓는점이 +36.1 ℃이므로 증발기(34)에서는 증발하지 않고 액 상태 그대로이며, 따라서 냉각에는 거의 기여하지 않지만 압축기(10)의 윤활유나 건조기(32)에서 완전히 흡수되지 않은 혼입 수분을 그 중에 용해시킨 상태에서 압축기(10)로 귀환시키는 기능과, 그 액 냉매의 압축기(10) 내에서의 증발에 의해 압축기(10)의 온도를 저감시키는 기능을 발휘한다.

한편, 저온측 냉매 회로(38)는, 압축기(20)는 상기 압축기(10)와 마찬가지로 1상 혹은 3상 교류 전원을 사용하는 전동 압축기이며, 당해 압축기(20)의 토출측 배관(20D)에는 와이어 콘덴서로 구성되는 방열기(39)를 통해 오일 분리기(40)가 접속된다. 이 오일 분리기(40)는 압축기(20)로 복귀되는 오일 복귀관(41)이 접속된다. 오일 분리기(40)의 출구측에 접속된 냉매 배관은 상기 증발기(34) 내에 삽입된 고압측 배관으로서의 응축 파이프(42)에 접속된다. 이 응축 파이프(42)는 증발기(34)와 함께 캐스케이드 열교환기(43)를 구성하고 있다.

그리고 응축 파이프(42)의 출구측에 접속되는 토출 배관은 건조기(44)를 통해 제1 기액 분리기(46)에 접속된다. 기액 분리기(46)에 의해 분리된 기상 냉매는 기상 배관(47)을 통해 제1 중간 열교환기(48) 내를 통과하여, 제2 기액 분리기(49)로 유입된다. 제1 기액 분리기(46)에 의해 분리된 액상 냉매는 액상 배관(50)을 통해 건조기(51), 감압 장치로서의 캐필러리 튜브(52)를 거쳐 제1 중간 열교환기(48)로 유입된다.

제2 기액 분리기(49)에 의해 분리된 액상 냉매는 액상 배관(53)에 의해 건조기(54)를 거친 후 감압 장치로서의 캐필러리 튜브(55)를 거쳐 제2 중간 열교환기(56)로 유입된다. 제2 기액 분리기(54)에 의해 분리된 기상 냉매는, 기상 배관(57)을 통해 제2 중간 열교환기(56) 내를 통과하고, 제3, 제4 중간 열교환기(58, 59) 내를 통과하는 사이에 냉각되어 액화하고, 배관(68)을 통해 건조기(60)를 거쳐 감압 장치로서의 캐필러리 튜브(61)로 유입된다. 캐필러리 튜브(61)는 증발기로서의 증발 파이프(62)에 접속되고, 또한 증발 파이프(62)는 복귀되어 배관(69)을 통해 제4 중간 열교환기(59)에 접속된다.

제4 중간 열교환기(59)는 제3, 제2 및 제1 중간 열교환기(58, 56, 48)에 잇 따라 접속된 후, 압축기(20)의 흡입측 배관(20S)에 접속된다. 흡입측 배관(20S)에는 또한 압축기(20) 정지시에 냉매를 저류하는 팽창 탱크(65)가 감압 장치로서의 캐필러리 튜브(66)를 통해 접속되어 있고, 당해 캐필러리 튜브(66)에는 팽창 탱크(65)의 방향을 순방향으로 한 역지 밸브(67)가 병렬로 접속되어 있다.

저온측 냉매 회로(38)에는 끓는점이 상이한 7종류의 혼합 냉매로서, R245fa와, R600과, R404A와, R508과, R14와, R50, R740을 포함하는 비공비 혼합 냉매가 봉입된다. R245fa는 1,1,1,-3,3-펜타플루오로프로판(CF₃CH₂CHF₂)이고, R600은 부탄(CH₃CH₂CH₂CH₃)이다. R245fa의 끓는점은 +15.3 ℃, R600의 끓는점은 -0.5 ℃이다. 그로 인해, 이들을 소정 비율로 혼합함으로써 종래 이용되고 있었던 끓는점이 +8.9 ℃인 R21의 대체로서 사용 가능해진다.

또한, R600은 가연성 물질이므로, 불연성인 R245fa와 소정 비율, 본 실시예에서는 R245fa/R600 : 70/30의 비율로 혼합함으로써, 불연성으로서 냉매 회로(38)에 봉입하는 것으로 한다. 또한, 본 실시예에서는 R245fa와 R600을 합한 총 중량에 대해 R245fa를 70 중량％로 하고 있지만, 그 이상이면 불연성으로 되므로 그 이상이라도 좋은 것으로 한다.

R404A는 R125(펜타플루오로에탄 : CHF₂CF₃)와, R143a(1,1,1-트리플루오로에탄 : CH₃CF₃)와, R134a(1,1,1,2-테트라플루오로에탄 : CH₂FCF₃)로 구성되고, 그 조성은 R125가 44 중량％, R143a가 52 중량％, R134a가 4 중량％이다. 당해 혼합 냉매의 끓는점은 -46.48 ℃이다. 그로 인해, 종래 이용되고 있었던 끓는점이 -40.8 ℃ 인 R22의 대체로서 사용 가능해진다.

R508은 R23(트리플루오로메탄 : CHF₃)과, R116(헥사플루오로에탄 : CF₃CF₃)으로 구성되고, 그 조성은 R23이 39 중량％, R116이 61 중량％이다. 당해 혼합 냉매의 끓는점은 -88.64 ℃이다.

또한, R14는 테트라플루오로메탄(사불화탄소 : CF₄)이고, R50은 메탄(CH₄), R740은 아르곤(Ar)이다. 이들의 끓는점은 R14가 -127.9 ℃, R50이 -161.5 ℃, R740이 -185.86 ℃이다. 또한, R50은 산소와의 결합에 의해 폭발을 발생할 위험이 있지만, R14와 혼합함으로써 폭발의 위험은 없어진다. 따라서, 혼합 냉매의 누설 사고가 발생하였다고 해도 폭발은 발생하지 않는다.

또한, 이들 상술한 바와 같은 냉매는 일단 R245fa와 R600 및 R14와 R50을 미리 혼합하여, 불연화 상태로 한 후, R245fa와 R600의 혼합 냉매와, R404A와, R508A와, R14와 R50의 혼합 냉매와, R740을 미리 혼합한 상태에서 냉매 회로에 봉입된다. 혹은, R245fa와 R600, 다음에 R404A, R5080A, R14와 R50, 마지막으로 R740으로 끓는점이 높은 순으로 봉입된다. 각 냉매의 조성은, 예를 들어 R245fa와 R600의 혼합 냉매가 10.3 중량％, R404A가 28 중량％, R508A가 29.2 중량％, R14와 R50의 혼합 냉매가 26.4 중량％, R740이 5.1 중량％인 것으로 한다.

또한, 본 실시예에서는 R404A 중에 4 중량％의 n-펜탄(비공비 냉매의 총 중량에 대해 0.5 내지 2 중량％의 범위)을 첨가해도 좋은 것으로 한다.

다음에, 저온측의 냉매의 순환을 설명한다. 압축기(20)로부터 토출된 고온 고압의 가스상 혼합 냉매는 토출측 배관(20D)을 통해 방열기(39) 내로 유입되고, 그곳에서 방열되어 혼합 냉매 중의 끓는점이 높고, 오일 상용성이 양호한 오일 캐리어 냉매로서의 n-펜탄이나 R600의 일부가 응축 액화된다.

방열기(39)를 거친 혼합 냉매는 오일 분리기(40) 내로 유입되고, 냉매와 혼합되어 있는 압축기(20)의 윤활 오일의 대부분과 방열기(39)에서 응축 액화된 냉매의 일부(n-펜탄, R600의 일부)가 오일 복귀관(41)에서 압축기(20)로 귀환된다. 이에 의해, 캐스케이드 열교환기(43)보다 후방단의 냉매 회로(38)에는 보다 순도가 높은 저끓는점 냉매가 흐르게 되어, 효율적으로 초저온을 얻는 것이 가능해진다. 이에 의해, 동일한 능력의 압축기(10 및 20)라도, 보다 큰 용적의 피냉각 대상인 저장실(4) 내를 소정의 초저온으로까지 냉각하는 것이 가능해져 냉동 장치(1) 전체가 대형화되는 일 없이 수납 용량의 증대를 도모하는 것이 가능해진다.

여기서, 본 실시예에서는 오일 분리기(40) 내로 유입되는 냉매는, 일단 방열기(39)에서 냉각되어 있으므로, 캐스케이드 열교환기(43)에 들어가는 냉매 온도를 낮추는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 종래에는 캐스케이드 열교환기(43) 내로 유입되는 냉매 온도가 +65 ℃ 정도였던 것을 본 실시예에서는 +45 ℃ 정도까지 낮추는 것이 가능해진다.

그로 인해, 캐스케이드 열교환기(43)에 있어서 저온측 냉매 회로(35) 내의 냉매를 냉각하기 위한 고온측 냉매 회로(25)의 압축기에 가해지는 부하를 경감시키는 것이 가능해진다. 또한, 효과적으로 저온측 냉매 회로(35) 내의 냉매를 냉각하는 것이 가능해지므로, 당해 저온측 냉매 회로(35)를 구성하는 압축기(20)에 가해 지는 부하를 경감시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 냉동 장치(1) 전체의 운전 효율의 개선을 실현하는 것이 가능해진다.

다른 혼합 냉매 자체는 캐스케이드 열교환기(43)에서 증발기(34)보다 -40 ℃ 내지 -30 ℃ 정도로 냉각되어 혼합 냉매 중의 끓는점이 높은 일부의 냉매(R245fa, R600, R404A, R508의 일부)를 응축 액화한다. 그리고 캐스케이드 열교환기(43)의 응축 파이프(42)를 나온 혼합 냉매는 건조기(44)를 거쳐 제1 기액 분리기(46)로 유입된다. 이 시점에서는 혼합 냉매 중의 R14와 R50과 R740은 끓는점이 매우 낮으므로 아직 응축되어 있지 않아 가스 상태이며, R245fa, R600, R404A, R508의 일부만이 응축 액화되어 있으므로 R14와 R50과 R740은 기상 배관(47)으로, R245fa와 R600과 R404A와 R508A는 액상 배관(50)으로 분리된다.

기상 배관(47)으로 유입된 냉매 혼합물은 제1 중간 열교환기(48)와 열교환하여 응축된 후, 제2 기액 분리기(49)에 이른다. 여기서 제1 중간 열교환기(48)에는 증발 파이프(62)로부터 귀환해 오는 저온의 냉매가 유입되고, 또한 액상 배관(50)으로 유입된 액 냉매가 건조기(51)를 거쳐 캐필러리 튜브(52)에서 감압된 후, 제1 중간 열교환기(48)로 유입되어 그곳에서 증발함으로써 냉각에 기여하므로, 미응축의 R14, R50, R740 및 R508의 일부를 냉각하는 결과, 제1 중간 열교환기(48)의 중간 온도는 -60 ℃ 정도로 되어 있다. 따라서, 기상 배관(47)을 통과한 혼합 냉매 중의 R508은 완전히 응축 액화되어, 제2 기액 분리기(49)로 분류된다. R14, R50, R740은 끓는점이 더욱 낮으므로 아직 가스 상태이다.

제2 중간 열교환기(56)에서는 제2 기액 분리기(49)에서 분류된 R508이 건조 기(54)에서 수분이 제거되고, 캐필러리 튜브(55)에서 감압된 후, 제2 중간 열교환기(56)로 유입되고, 증발 파이프(62)로부터 귀환해 오는 저온의 냉매와 함께 기상 배관(57) 중의 R14, R50 및 R740을 냉각하여, 이 중에서 증발 온도가 가장 높은 R14를 응축시킨다. 이 결과, 제2 중간 열교환기(56)의 중간 온도는 -90 ℃ 정도로 된다.

이 제2 중간 열교환기(56)를 통과하는 기상 배관(57)은, 계속해서 제3 중간 열교환기(58)를 거쳐 제4 중간 열교환기(59)를 통과한다. 여기서, 제4 중간 열교환기(59)에는 증발기(62)를 바로 나온 냉매가 귀환되고 있고, 실험에 따르면 제4 중간 열교환기(59)의 중간 온도가 -130 ℃ 정도로 상당히 낮은 온도에 도달한다.

이로 인해, 제4 중간 열교환기(59)에서는 기상 배관(57) 중의 R50 및 R740의 일부가 응축되고, 이들 액화한 R14, R50 및 R740의 일부가 건조기(60)에서 수분이 제거되고, 캐필러리 튜브(61)에서 감압된 후, 증발 파이프(62)로 유입되고, 그곳에서 증발하여 주위를 냉각한다. 실험에 따르면, 이때 증발 파이프(62)의 온도는 -160.3 ℃ 내지 -157.3 ℃라고 하는 초저온으로 되었다.

이와 같이, 저온측 냉매 회로(38)에 있어서의 각 냉매의 증발 온도의 차를 이용하여 각 중간 열교환기(48, 56, 58, 59)에서 아직 기상 상태에 있는 냉매를 잇따라 응축시켜, 최종단의 증발 파이프(42)에 있어서 -150 ℃ 이하라고 하는 초저온을 달성할 수 있다. 그로 인해, 당해 증발 파이프(62)가 내부 상자(6)의 단열재(9)측을 따라 열교환적으로 감아 구성됨으로써, 냉동 장치(1)의 저장실(4) 내는 -152 ℃ 이하의 고내 온도를 실현하는 것이 가능해진다.

증발 파이프(62)를 나온 냉매는, 제4 중간 열교환기(59), 제3 중간 열교환기(58), 제2 중간 열교환기(56), 제1 중간 열교환기(48)에 잇따라 유입되고, 각 열교환기에서 증발한 냉매와 합류하여 흡입 배관(20S)으로부터 압축기(20)로 귀환한다.

압축기(20)로부터 냉매에 혼입하여 토출되는 오일은, 대부분이 오일 분리기(40)에 의해 분리되어 압축기(20)로 복귀되고 있지만, 미스트 형상으로 되어 냉매와 함께 오일 분리기(40)로부터 토출되어 버린 것은, 오일과의 상용성이 높은 R600에 용해된 상태에서 압축기(20)로 복귀된다. 이에 의해, 압축기(20)의 윤활 불량이나 로크를 방지할 수 있다. 또한, R600은 액 상태 그대로 압축기(20)로 귀환하여 이 압축기(20) 내에서 증발되므로, 압축기(20)의 토출 온도를 저감시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 저온측 냉매 회로(38)를 구성하는 압축기(20)는, 저장실(4) 내의 고내 온도를 기초로 하여, 도시하지 않은 제어 장치에 의해 온-오프(ON-OFF) 제어가 행해진다. 이 경우, 제어 장치에 의해 압축기(20)의 운전이 정지되면, 저온측 냉매 회로(38) 내의 혼합 냉매는 팽창 탱크(65) 방향을 순방향으로 하는 역지 밸브(67)를 통해 팽창 탱크(65) 내로 회수된다.

그로 인해, 압축기(20)의 정지시에 있어서 캐필러리 튜브(66)를 통해 팽창 탱크(65) 내로 냉매가 회수되는 경우에 비해, 현저하게 신속히 역지 밸브(67)를 통해 냉매 회로(38) 중의 냉매를 팽창 탱크(65) 내로 회수하는 것이 가능해진다.

이에 의해, 냉매 회로(38) 내의 압력이 상승하는 것을 방지할 수 있고, 제어 장치에 의해 압축기(20)가 기동되었을 때에는 캐필러리 튜브(66)를 통해 서서히 팽창 탱크(65)로부터 냉매 회로(38) 중으로 냉매를 복귀시킴으로써, 압축기(20)의 기동 부하를 경감시키는 것이 가능해진다.

따라서, 압축기(20)의 정지시에 있어서의 냉매의 팽창 탱크(65)에의 회수를 신속하게 행함으로써, 냉매 회로(38) 내의 압력을 신속하게 평형으로 하는 것이 가능해져, 압축기(20)의 재기동시에, 압축기(20)에 부하를 가하는 일 없이 원활하게 압축기(20)의 재기동을 실행할 수 있다. 이에 의해, 압축기 기동시에 있어서의 냉매 회로(38) 내가 평형압으로 될 때까지 필요로 하는 시간을 현저하게 단축함으로써 압축기(20)의 운전 효율을 향상시킬 수 있고, 예를 들어 풀 다운 운전에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있어 편리성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 냉동 장치(1)를 구성하는 냉매 회로를 각각 압축기(10 또는 20)로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 증발시켜 냉각 작용을 발휘하는 독립된 냉매 폐회로를 구성하는 고온측 냉매 회로(25)와, 저온측 냉매 회로(38)로 구성하고, 저온측 냉매 회로(38)는 압축기(20), 응축 파이프(42), 증발 파이프(62), 이 증발 파이프(62)로부터의 귀환 냉매가 유통하도록 직렬 접속된 복수의, 구체적으로는 4개의 중간 열교환기(48, 56, 58, 59)와, 복수의, 구체적으로는 3개의 캐필러리 튜브(42, 55, 61)를 갖고, 복수 종류의 비공비 혼합 냉매가 봉입되고, 응축 파이프(42)를 거친 냉매 중의 응축 냉매를 각 캐필러리 튜브를 통해 각 중간 열교환기에 합류시키고, 상기 중간 열교환기에서 냉매 중의 미응축 냉매를 냉각함으로써 차례로 보다 낮은 끓는점의 냉매를 응축시켜, 최종단의 캐필러리 튜브(61)를 통해 최저 끓는점의 냉매를 증발 파이프(62)로 유입시키는 동시에, 고온측 냉매 회로(25)의 증발기(34)와 저온측 냉매 회로(38)의 응축 파이프(42)로 캐스케이드 열교환기(43)를 구성하고, 저온측 냉매 회로(38)의 증발 파이프(42)에서 초저온을 얻는 2원 다단 방식의 냉동 장치(1)로서 설명하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니며, 다원 다단 방식의 냉동 장치라도 좋은 것으로 한다.

Claims (2)

1. 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후 증발시켜 냉각 작용을 발휘하는 독립된 냉매 폐회로를 구성하는 고온측 냉매 회로와 저온측 냉매 회로를 구비하고, 상기 저온측 냉매 회로는 상기 압축기, 응축기, 증발기, 상기 증발기로부터의 귀환 냉매가 유통하도록 직렬 접속된 복수의 중간 열교환기 및 복수의 감압 장치를 갖고, 복수 종류의 비공비 혼합 냉매가 봉입되고, 상기 응축기를 거친 냉매 중의 응축 냉매를 상기 감압 장치를 통해 상기 중간 열교환기에 합류시키고, 상기 중간 열교환기에서 상기 냉매 중의 미응축 냉매를 냉각함으로써, 차례로 보다 낮은 끓는점의 냉매를 응축시키고, 최종단의 상기 감압 장치를 통해 최저 끓는점의 냉매를 상기 증발기로 유입시킴과 함께, 상기 고온측 냉매 회로의 증발기와 상기 저온측 냉매 회로의 응축기로 캐스케이드 열교환기를 구성하고, 상기 저온측 냉매 회로의 증발기에서 초저온을 얻는 냉동 장치에 있어서,

   상기 저온측 냉매 회로의 압축기의 토출측에 설치되어, 상기 비공비 혼합 냉매 중의 오일을 분리하여 상기 압축기로 복귀시키기 위한 오일 분리기를 구비하고, 상기 오일 분리기와 상기 압축기 사이에 방열기를 개재 설치하며, 상기 저온측 냉매 회로는, 상기 냉매가 상기 방열기, 상기 오일 분리기 및 상기 캐스케이드 열교환기를 순차적으로 통과하도록 구성되어, 상기 방열기가 상기 캐스케이드 열교환기로 유입되는 냉매를 냉각하는 역할을 하게 하는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 비공비 혼합 냉매에는 적어도 다른 냉매에 비해 상기 오일과의 상용성이 양호하고, 또한 끓는점이 높은 냉매가 포함되는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.

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