KR20110060793A - 냉동장치 - Google Patents

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KR20110060793A
KR20110060793A KR1020100095244A KR20100095244A KR20110060793A KR 20110060793 A KR20110060793 A KR 20110060793A KR 1020100095244 A KR1020100095244 A KR 1020100095244A KR 20100095244 A KR20100095244 A KR 20100095244A KR 20110060793 A KR20110060793 A KR 20110060793A
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evaporator
capillary tube
pipe
compressor
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KR1020100095244A
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스스무 고바야시
후쿠지 요시다
지로 유자와
히리유키 사토
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 보다 효율적으로 저장고 내를 초저온으로 냉각 가능한 냉동장치를 제공한다.
[해결수단] 압축기(14)로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브(capillary tube)(18)에서 감압하고, 증발기(13)로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 냉동장치(R1)에 있어서, 증발기(13)로부터 압축기(14)로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관(32) 내에 캐필러리 튜브(18)를 삽입통과시켜 이중관(二重管) 구조로 함. 또한, 캐필러리 튜브(18)가 삽입통과되어 이중관 구조로 이루어진 흡입배관(32)(배관(32A))을 단열재(35)로 둘러쌈.

Description

냉동장치{FREEZING DEVICE}
본 발명은 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에 관한 것이다.
종래부터, 장기저온보존을 행하는 냉동식품의 저장이나, 생체조직이나 검체(檢體, 검사대상물체) 등의 초저온보존에 이용되는 초저온 냉동고의 냉동장치는 부탄, 에틸렌 및 R14(사플로오르화 탄소(carbon tetrafluoride) : CF4)를 포함하는 비공비계(非共沸系) 혼합냉매나, 부탄, 에탄 및 R14를 포함하는 비공비계 혼합냉매가 냉매회로에 봉입(封入)되고, 이들 비공비계 혼합냉매가스 중의 비점(沸點)이 높은 부탄의 상온에서의 작동성에 의해서 냉동장치에서의 냉매의 취급성을 확보함과 아울러, 지극히 비점이 낮은 에탄이나 에틸렌을 증발기로 증발시킴으로써, 저장실 내의 온도를 -60℃ 이하의 초저온으로 하는 것이었다.
[특허문헌 1] 일본국 특개2007-107858호 공보
그렇지만, 소망의 초저온을 실현하기 위해서는, 보다 능력이 큰 압축기를 선택하지 않으면 이루어지지 않고, 이러한 경우에는 장치의 대형화, 비용의 상승을 수반하는 문제가 있었다. 또, 사용하는 압축기의 능력이 커짐에 따라, 소비전력량의 증가를 수반하기 때문에, 보다 효율적으로 저장실 내를 초저온까지 냉각 가능하게 하는 냉동장치의 개발이 요구되고 있었다.
그래서, 본 발명은 종래의 기술적 과제를 해결하기 위해서 이루어지는 것으로, 보다 효율적으로 저장실 내를 초저온으로 냉각 가능한 냉동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1의 발명의 냉동장치는, 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브(capillary tube)에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 것으로서, 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관(二重管) 구조로 한 것을 특징으로 한다.
청구항 2의 발명의 냉동장치는, 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 독립한 냉매 폐(閉)회로를 구성하는 고온 측 냉매회로와 저온 측 냉매회로를 구비하며, 고온 측 냉매회로의 증발기와 저온 측 냉매회로의 응축기에서 캐스캐이드(cascade) 열교환기가 구성되고, 저온 측 냉매회로의 증발기로 최종적인 냉각작용을 발휘하는 것으로서, 저온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 저온 측 냉매회로의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 한 것을 특징으로 한다.
청구항 3의 발명의 냉동장치는, 압축기, 응축기, 증발기, 이 증발기로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 단일 혹은 복수의 중간 열교환기 및 복수의 캐필러리 튜브를 구비하고, 복수 종의 비공비 혼합냉매가 봉입되며, 응축기를 거친 냉매 중의 응축냉매를 캐필러리 튜브를 통하여 중간 열교환기에 합류시키고, 이 중간 열교환기에서 냉매 중의 미응축냉매를 냉각함으로써, 보다 낮은 비점의 냉매를 응축시키며, 최종단계의 캐필러리 튜브를 통하여 최저 비점의 냉매를 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 것으로서, 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 최종단계의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 한 것을 특징으로 한다.
청구항 4의 발명의 냉동장치는, 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 독립한 냉매 폐회로를 구성하는 고온 측 냉매회로와 저온 측 냉매회로를 구비하며, 이 저온 측 냉매회로는 압축기, 응축기, 증발기, 이 증발기로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 단일 혹은 복수의 중간 열교환기 및 복수의 캐필러리 튜브를 가지고, 복수 종의 비공비 혼합냉매가 봉입되며, 응축기를 거친 냉매 중의 응축냉매를 캐필러리 튜브를 통하여 중간 열교환기에 합류시키고, 중간 열교환기에서 냉매 중의 미응축냉매를 냉각함으로써, 보다 낮은 비점의 냉매를 응축시키며, 최종단계의 캐필러리 튜브를 통하여 최저 비점의 냉매를 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘함과 아울러, 고온 측 냉매회로의 증발기와 저온 측 냉매회로의 응축기에서 캐스캐이드 열교환기가 구성되고, 저온 측 냉매회로의 증발기에서 최종적인 냉각작용을 발휘하는 것으로서, 저온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 저온 측 냉매회로의 최종단계의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 한 것을 특징으로 한다.
청구항 5의 발명의 냉동장치는, 청구항 2 또는 청구항 4의 발명에서 고온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 고온 측 냉매회로의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 한 것을 특징으로 한다.
청구항 6의 발명의 냉동장치는, 상기 각 발명에서 캐필러리 튜브가 삽입통과되어 이중관 구조로 된 흡입배관을 단열재로 둘러싼 것을 특징으로 한다.
청구항 7의 발명의 냉동장치는, 상기 각 발명에서 캐필러리 튜브 내의 냉매의 흐름과, 당해 캐필러리 튜브의 외측의 흡입배관 내를 통과하는 냉매의 흐름을 대향류로 한 것을 특징으로 한다.
청구항 1의 본 발명에 의하면, 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에 있어서, 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 흡입배관 내의 냉매와 캐필러리 튜브 중의 냉매와의 열교환 효율을 향상시켜 성능의 개선을 도모할 수 있게 된다.
특히, 캐필러리 튜브를 증발기로부터 나온 직후의 흡입배관 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 하여, 캐필러리 튜브의 전(全)둘레를 전달하는 열전도에 의해서 열교환 가능하게 구성함으로써, 증발기로부터의 귀환냉매에 의해서, 가장 비점이 낮은 냉매가 효율적으로 냉각되게 되어, 성능의 현저한 향상을 도모할 수 있게 된다.
청구항 2의 발명에 의하면, 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 독립한 냉매 폐회로를 구성하는 고온 측 냉매회로와 저온 측 냉매회로를 구비하며, 고온 측 냉매회로의 증발기와 저온 측 냉매회로의 응축기로 캐스캐이드 열교환기가 구성되고, 저온 측 냉매회로의 증발기로 최종적인 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에서 저온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 저온 측 냉매회로의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 흡입배관 내의 냉매와 캐필러리 튜브 중의 냉매와의 열교환 효율을 향상시켜, 성능의 개선을 도모할 수 있게 된다.
특히, 저온 측 냉매회로의 캐필러리 튜브를 증발기로부터 나온 직후의 흡입배관 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 하여, 캐필러리 튜브의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환 가능하게 구성함으로써, 저온 측 냉매회로의 증발기로부터의 귀환냉매에 의해서, 가장 비점이 낮은 냉매가 효율적으로 냉각되게 되어 성능의 현저한 향상을 도모할 수 있게 된다.
청구항 3의 발명에 의하면, 압축기, 응축기, 증발기, 이 증발기로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 단일 혹은 복수의 중간 열교환기 및 복수의 캐필러리 튜브를 구비하고, 복수 종의 비공비 혼합냉매가 봉입되며, 응축기를 거친 냉매 중의 응축냉매를 캐필러리 튜브를 통하여 중간 열교환기에 합류시키고, 이 중간 열교환기로 냉매 중의 미응축냉매를 냉각함으로써, 보다 낮은 비점의 냉매를 응축시키며, 최종단계의 캐필러리 튜브를 통하여 최저 비점의 냉매를 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에 있어서, 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 최종단계의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 흡입배관 내의 냉매와 캐필러리 튜브 중의 냉매와의 열교환 효율을 향상시켜 성능의 개선을 도모할 수 있게 된다.
특히, 캐필러리 튜브를 증발기로부터 나온 직후의 흡입배관 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 하여, 캐필러리 튜브의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환 가능하게 구성함으로써, 증발기로부터의 귀환냉매에 의해서, 가장 비점이 낮은 냉매가 효율적으로 냉각되게 되어 성능의 현저한 향상을 도모할 수 있게 된다.
청구항 4의 발명에 의하면, 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 독립한 냉매 폐회로를 구성하는 고온 측 냉매회로와 저온 측 냉매회로를 구비하고, 이 저온 측 냉매회로는 압축기, 응축기, 증발기, 이 증발기로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 단일 혹은 복수의 중간 열교환기 및 복수의 캐필러리 튜브를 가지고, 복수 종의 비공비 혼합냉매가 봉입되며, 응축기를 거친 냉매 중의 응축냉매를 캐필러리 튜브를 통하여 중간 열교환기에 합류시키고, 중간 열교환기로 냉매 중의 미응축냉매를 냉각함으로써, 보다 낮은 비점의 냉매를 응축시키며, 최종단계의 캐필러리 튜브를 통하여 최저 비점의 냉매를 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘함과 아울러, 고온 측 냉매회로의 증발기와 저온 측 냉매회로의 응축기로 캐스캐이드 열교환기가 구성되고, 저온 측 냉매회로의 증발기로 최종적인 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에 있어서, 저온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 저온 측 냉매회로의 최종단계의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 흡입배관 내의 냉매와 캐필러리 튜브 중의 냉매와의 열교환 효율을 향상시켜 성능의 개선을 도모할 수 있게 된다.
특히, 저온 측 냉매회로의 캐필러리 튜브를 증발기로부터 나온 직후의 흡입배관 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 하여, 캐필러리 튜브의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환 가능하게 구성함으로써, 저온 측 냉매회로의 증발기로부터의 귀환냉매에 의해서 가장 비점이 낮은 냉매가 효율적으로 냉각되게 되어, 성능의 현저한 향상을 도모할 수 있게 된다.
청구항 5의 발명에 의하면, 청구항 2 또는 청구현 4의 발명에 있어서, 고온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 고온 측 냉매회로의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 고온 측 냉매회로에서도 흡입배관 내의 냉매와 캐필러리 튜브 중의 냉매와의 열교환 효율을 보다 향상시켜 냉동장치의 성능을 더욱 개선을 도모할 수 있게 된다.
또, 상기 각 발명에 있어서, 청구항 6의 발명과 같이 캐필러리 튜브가 삽입통과되어 이중관 구조로 된 흡입배관을 단열재로 둘러싸면, 열교환 효율을 한층 더 개선할 수 있게 된다.
또한, 상기 각 발명에 있어서, 청구전 7의 발명과 같이 캐필러리 튜브 내의 냉매의 흐름과 당해 캐필러리 튜브의 외측의 흡입배관 내를 통과하는 냉매의 흐름을 대향류로 하면, 한층 더 열교환 능력의 개선을 도모할 수 있게 된다.
도 1은 냉동장치를 적용한 초저온 저장고의 측면도이다.
도 2는 도 1의 초저온 저장고의 실시예에서의 냉매회로도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 본 발명의 흡입배관 내에 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜서 이루어지는 열교환기의 이중관 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 R245fa와 R600의 혼합냉매 및 R14의 중량을 일정하게 하고, R23의 중량을 변화시킨 경우의 각 데이터에 관한 그래프이다.
도 5는 R245fa와 R600의 혼합냉매 및 R23의 중량을 일정하게 하고, R14의 중량을 변화시킨 경우의 각 데이터에 관한 그래프이다.
도 6은 제2 실시예에서의 냉매회로도이다(실시예 2).
도 7은 제3 실시예에서의 냉매회로도이다(실시예 3).
도 8은 제4 실시예에서의 냉매회로도이다(실시예 4).
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 냉동장치를 적용한 초저온 저장고(1)의 측면도이다. 초저온 저장고(1)는, 예를 들면 장기저온보존을 행하는 냉동식품의 저장이나, 생체조직이나 검체 등의 초저온보존에 이용되는 것으로, 상면으로 개방한 단열케이스(2)와, 당해 단열케이스(2)의 하부에 위치하여 내부에 본 실시예의 냉동장치(R1)의 냉매회로를 구성하는 압축기(14) 등이 설치되는 도시하지 않은 기계실에 의해서 본체가 구성되어 있다.
이 단열케이스(2)는 모두 상면을 개방한 강판제의 외부케이스(3)와 내부케이스(4)와, 이들 양케이스(3, 4)의 상단간을 접속하는 합성수지제의 브레이커(breaker)(5)와, 이들 외부케이스(3), 내부케이스(4) 및 브레이커(5)로 둘러싸인 공간 내를 현장발포방식으로 충전된 폴리우레탄수지 단열재(7)로 구성되어 있고, 상기 내부케이스(4) 내를 상면으로 개구한 저장실(8)로 하고 있다.
본 실시예에서는, 목표로 하는 저장실(8) 내의 온도(이하, 저장고 내 온도라고 칭한다.)를, 예를 들면 -80℃ 이하로 하기 위해, 저장실(8) 내와 외기를 구획하는 단열케이스(2)는 저장고 내 온도를 0℃ 부근으로 설정하는 저온고에 비해 큰 단열능력이 필요하게 된다. 이 때문에, 상술한 바와 같은 폴리우레탄수지 단열재(7)에 의해서만 당해 단열능력을 확보하기 위해서는, 상당한 두께로 형성해야 하므로, 한정된 본체 치수에서는 저장실(8)의 수납량을 충분히 확보할 수 없다고 하는 문제가 있다. 이것에 의해, 본 실시예에서의 단열케이스(2)는 외부케이스(3)의 내벽에 글라스 울(glass wool)제의 진공단열재가 배치되어 있고, 당해 진공단열재에 의한 단열능력에 따라 폴리우레탄수지 단열재(7)의 두께 치수를 작게 형성하고 있다.
또, 브레이커(5) 상면은 계단모양으로 성형되어 있고, 거기에 패킹(11)을 통하여 단열문(9)이 일단(一端), 본 실시예에서는 후단을 중심으로 회동 가능하게 설치된다. 이것에 의해, 단열문(9)으로 저장실(8)의 상면개구는 개폐 가능하게 폐색된다. 또, 단열문(9)의 타단, 본 실시예에서는 전단에는 손잡이(10)가 설치되어 있고, 당해 손잡이(10)를 조작함으로써, 단열문(9)이 개폐 조작된다. 또한, 내부케이스(4)의 단열재(7) 측의 둘레면에는 냉동장치(R1)의 냉매회로를 구성하는 증발기(냉매배관)(13)가 교열적(交熱的)(열교환적)으로 장착된다.
다음으로, 도 2를 참조하여 본 실시예의 냉동장치(R1)의 냉매회로에 대해서 설명한다. 본 실시예의 냉동장치(R1)의 냉매회로는 단원(單元) 단단(單段)의 냉매회로(12)로 구성되어 있다. 냉매회로(12)를 구성하는 압축기(콤프레셔)(14)는 단상 혹은 삼상 교류전원을 이용하는 전동압축기이다. 이 압축기(14)는 디슈퍼히터(desuper heater)(20)가 접속되고, 압축기(14)에서 압축된 냉매를, 일단, 외부로 토출하여 방열한 후, 밀폐용기의 쉘(shell) 내로 귀환시켜, 다시, 냉매토출관(31)으로 토출하는 구성으로 되어 있다. 당해 압축기(14)의 토출 측에 접속된 냉매토출관(31)은 보조응축기(프리콘덴서(precondenser))(21)에 접속된다. 이 보조응축기(21)는 저장실(8)의 개구가장자리를 가열하여 이슬 부착을 방지하기 위한 프레임파이프(22)에 접속된 후, 응축기(콘덴서)(15)에 접속된다.
그리고, 응축기(15)를 나온 냉매배관은 드라이코어(dry core)(17) 및 응축파이프(23)에 접속된다. 드라이코어(17)는 냉매회로(12) 내의 수분을 제거하기 위한 수분제거수단이다. 또, 응축파이프(23)는 증발기(이배포레이터(evaporator))(13)로부터 나와 압축기(14)로 돌아오는 흡입배관(32)의 일부와 함께 열교환기(16)를 구성하고 있다.
응축파이프(23)를 나온 냉매배관은 감압장치로서의 캐필러리 튜브(18)를 거쳐 증발기(이배포레이터)(13)에 접속된다. 당해 캐필러리 튜브(18)는 증발기(13)로부터 나와 압축기(14)로 돌아오는 흡입배관(32)의 일부(배관(32A)) 내에 삽입통과되어 있다. 구체적으로, 증발기(13)의 토출 측에 설치된 헤더(26)의 토출 측(출구 측)에 있고, 또한, 상기 열교환기(16)의 흡입 측에 위치하는 흡입배관(32)의 일부인 배관(32A) 내에 캐필러리 튜브(18)를 삽입통과시켜 도 3에 나타내는 바와 같이 이중관 구조를 구성하고 있다. 이러한 이중관 구조에 의해서, 당해 이중관(25)(이하, 이중관 구조체라고 칭함)의 내측이 되는 캐필러리 튜브(18)를 흐르는 냉매와, 그 외측이 되는 배관(32A)을 흐르는 증발기(13)로부터의 냉매가 열교환 가능하게 구성되어 있다.
여기서, 상기 이중관 구조체(25)의 제조방법에 대해서 설명한다. 먼저, 비교적 큰 직경의 직관(直管) 모양의 배관(32A) 내에 직관 모양의 캐필러리 튜브(18)를 삽입통과시킨다. 다음으로, 이러한 이중관을 나선 모양으로 복수단 감아 돌린다. 이 때, 배관(32A)의 축의 중심과, 캐필러리 튜브(18)의 축의 중심이 가능한 한 일치하도록 감아 돌려 나선 모양의 이중관을 형성한다. 이것에 의해, 배관(32A)의 내벽면과 캐필러리 튜브(18)의 외벽면과의 사이에 가능한 한 일관해서 틈새를 구성한다. 이와 같이, 이중관을 복수단 나선 모양으로 감아 돌려, 나선 모양의 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(18)의 길이를 충분히 확보하고, 또한, 이러한 이중관 구조의 열교환 부분을 충분히 확보하면서, 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 다음으로, 배관(32A)의 양단에, 양단과 가로로 구멍이 뚫린 캡 모양의 접속배관(도시생략)을 장착하고, 가로의 구멍으로부터 캐필러리 튜브(18)의 단부를 각각 인출한 후, 당해 가로 구멍을 용접하여 밀봉한다. 또한, 배관(32A)의 일단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(32A)의 접속부를 용접하고, 이 접속배관의 타단에 증발기(13)의 토출 측에 접속된 흡입배관(32)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 마찬가지로, 배관(32A)의 타단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(32A)의 접속 부분을 용접하고, 이 접속배관의 타단에 열교환기(16)에 이르는 흡입배관(32)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 그리고, 이러한 이중관 구조로 이루어진 배관(32A)을 단열재(35)에 의해서 둘러쌈으로써, 본 실시예의 이중관 구조체(25)를 구성할 수 있다.
그런데, 종래의 냉동장치에서 캐필러리 튜브와 증발기로부터 나온 흡입배관을 열교환 가능하게 형성하는 경우에는 캐필러리 튜브의 외벽과 당해 흡입배관의 외벽이 교열적으로 접촉하도록 흡입배관의 외주면에 캐필러리 튜브를 첨설(添設)하고 있었다. 이 경우, 흡입배관과 캐필러리 튜브와는 선(線)접촉할 뿐이다. 이 때문에, 열교환 성능이 나빠, 열교환을 충분히 행할 수 없었다.
이것에 대해서, 본 발명과 같이 캐필러리 튜브(18)를 흡입배관(32)(배관(32A)) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(18) 내를 통과하는 냉매와 흡입배관(32) 내를 통과하는 냉매는 캐필러리 튜브(18)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하게 된다. 이것에 의해, 종래의 구조에 비해 열교환 성능을 현격히 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 상술한 바와 같이 이중관 구조의 배관(32A)의 외주 전체를 단열재(35)로 둘러쌈으로써, 외부로부터의 열의 영향을 받기 어려워져, 배관(32A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(18) 내의 냉매와의 열교환 능력을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 이중관 구조의 내측이 되는 캐필러리 튜브(18) 내와, 당해 캐필러리 튜브(18)의 외측의 흡입배관(32)(배관(32A)) 내에서 냉매의 흐름이 대향류가 되도록 냉매를 흐르게 함으로써, 이중관 구조체(25)에서의 열교환 능력을 한층 더 개선할 수 있게 된다.
이러한 이중관 구조체(25)는 상기 단열재(7) 내에 배치되어 있다. 구체적으로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 내부케이스(4)의 배면 측으로서, 열교환기(16)의 아래쪽이 되는 단열재(7) 내로 출입 가능하게 수납되어 있다.
한편, 당해 이중관 구조체(25)를 나온 흡입배관(32)은 열교환기(16), 역지밸브(27), 어큐뮬레이터(accumulator)(28)를 순차 경유하여 압축기(14)의 흡입 측에 접속된다. 또한, 본 실시예에서 보조응축기(21) 및 응축기(15)는 일체의 응축기로서 구성되어 있으며, 응축기용 송풍기로서의 응축용 팬(29)에 의해서 냉각된다.
본 실시예에서는, 상기 냉매회로(12) 내에 R245fa와 R600으로 이루어지는 혼합냉매와, R23과, R14로 구성되는 비공비 혼합냉매가 충전되어 있다. R245fa는 1, 1, 1, -3, 3-펜타플루오로 프로판(pentafluoro propane)(CF3CH2CHF2)이며, 비점은 +15.3℃이다. R600은 부탄(C4H10)이며, 비점은 -0.5℃이다. 당해 R600은 압축기(14)의 윤활유나 드라이어(17)로 완전히 흡수할 수 없었던 혼합 수분을 그 중에 용입시킨 상태에서 압축기(14)로 귀환시키는 기능을 가진다. 그러나, 이 R600은 가연성 물질이기 때문에, 불연성인 R245fa와 소정 비율, 본 실시예에서는 R245fa·/R600 = 70/30의 비율로 혼합함으로써, 불연성으로서 취급하는 것이 가능하게 된다. R23은 트리플루오르메탄(trifluoromethane)(CHF3)이며, 비점은 -82.1℃이다. R14는 테트라플루오르메탄(tetrafluoromethane)(CF4)이며, 비점은 -127.9℃이다.
그리고, 본 실시예에서의 이들 혼합냉매의 조성은 R245fa와 R600의 혼합냉매가 전체의 64중량%, R23이 24중량%, R14가 12중량%이다.
또한, 도 2에서 화살표는 당해 냉매회로(12)를 순환하는 냉매의 흐름을 나타내고 있다. 구체적으로 설명하면, 압축기(14)로부터 토출된 고온가스상태의 냉매는, 일단, 디슈퍼히터(20) 측의 냉매토출관을 통하여 밀폐용기로부터 디슈퍼히터(20)로 토출되어 방열된 후, 다시 밀폐용기의 쉘 내로 돌아온다. 이것에 의해, 밀폐용기의 쉘 내를 디슈퍼히터(20)로 방열하여 온도 저하한 냉매에 의해서 냉각할 수 있다. 그리고, 이러한 고온가스상태의 냉매는 냉매토출관(31)을 통하여 밀폐용기로부터 토출되고, 보조응축기(21), 프레임파이프(22), 응축기(15)로 응축되어 방열 액화한 후, 드라이코어(17)에서 함유하는 수분이 제거되어 열교환기(16)로 유입한다. 이 열교환기(16)에서 응축기(15)로부터의 냉매는 교열적으로 배치되는 흡입배관(32) 내의 저온의 냉매와 열교환함으로써, 미응축의 냉매를 냉각하여 응축 액화한 후, 캐필러리 튜브(18)로 유입한다.
여기서, 캐필러리 튜브(18)에서 냉매는 당해 캐필러리 튜브(18)의 전둘레에 설치된 흡입배관(32) 내를 통과하는 냉매와, 캐필러리 튜브(18)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하여, 더욱 온도 저하하면서 감압한 후, 증발기(13)로 유입한다. 그리고, 증발기(13)에서 냉매 R14, R23이 주위로부터 열을 빼앗아 증발한다. 이 때, 냉매 R14, R23이 증발기(13)에서 증발함으로써, 냉각작용을 발휘하여, 이 증발기(13)의 주위를 -85℃라는 초저온으로 냉각한다. 이 경우, 상술한 바와 같이 당해 증발기(냉매배관)(13)는 내부케이스(4)의 단열재(7) 측을 따라서 교열적으로 감아 돌려 구성되어 있으므로, 이러한 증발기(13)의 냉각에 의해서, 초저온 저장고(1)의 저장실(8) 내를 -80℃ 이하의 저장고 내 온도로 하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 증발기(13)에서 증발한 냉매는, 그 후, 흡입배관(32)을 통하여 증발기(13)로부터 나와, 헤더(26), 상술한 이중관 구조체(25), 열교환기(16), 역지밸브(27), 어큐뮬레이터(28)를 거쳐 압축기(14)로 귀환한다.
이 때, 압축기(14)의 운전중의 증발기(13)의 최종도달온도는 -100℃ 내지 -60℃가 된다. 이러한 저온하에서는 냉매 중의 R245fa는 비점이 +15.3℃이며, R600은 비점이 -0.5℃이기 때문에, 증발기(13)에서는 증발하지 않고 액체 상태인 채로 있고, 따라서, 냉각에는 거의 기여하지 않는다. 그러나, R600은 압축기(14)의 윤활유나 드라이코어(17)에서 완전히 흡수할 수 없었던 혼입 수분을 그 중에 용입시킨 상태에서 압축기(14)로 귀환시키는 기능과, 그 액체냉매의 압축기(14) 내에서의 증발에 의해서, 압축기(14)의 온도를 저감시키는 기능을 나타낸다.
증발기(13)에서의 증발온도는 냉매회로(12) 내에 봉입되는 비공비계 혼합냉매의 조성비율에 의해서 다르다. 이하, 각 실험결과에 근거하여 각 냉매의 조성비율에 대한 증발기온도, 저장고 내 온도, 고압 측 압력, 저압 측 압력에 대해서 상세히 설명한다. 도 4는 R245fa와 R600의 혼합냉매 및 R14의 중량을 일정하게 하고, R23의 중량을 변화시킨 경우의 증발기 입구온도, 저장고 내 온도, 고압 측 압력, 저압 측 압력에 대해서 나타낸 그래프이다. 도 5는 R245fa와 R600의 혼합냉매 및 R23의 중량을 일정하게 하고, R14의 중량을 변화시킨 경우의 증발기 입구온도, 저장고 내 온도, 고압 측 압력, 저압 측 압력에 대해서 나타낸 그래프이다.
도 4의 실험결과는 봉입되는 전(全)냉매중량에 대한 R23의 중량비율을 20.0중량%로부터 42.0중량%까지 증가시킨 것이다. 이것에 의하면, 이러한 실험에서 최소량이 되는 20.0중량%에서는 증발기(13)의 입구온도가 -88.0℃이며, 이것에 대한 저장고 내 온도가 -71.0℃이었다. 이것에 대해, 당해 R23의 중량비율을 21.3중량%로 하면, 급격하게 증발기(13)의 입구온도가 -95.9℃까지 저하하며, 이것에 대한 저장고 내 온도도 -87.5℃까지 저하하고 있다. 이후, 당해 R23의 중량비율을 42.0중량%까지 증가시켜 감에 따라, 약간 온도상승하는 것만으로 모두 저장고 내 온도를 약 -85℃ 이하로 하는 것을 가능하게 하고 있다.
또, 도 5의 실험결과는 봉입되는 전냉매중량에 대한 R14의 중량비율을 0.0중량%부터 14.1중량%까지 증가시킨 것이다. 이것에 의하면, 이러한 실험에서 최소량이 되는 0.0중량%, 즉, R14를 포함하지 않는 경우에서의 증발기(13)의 입구온도는 -66.1℃이며, 이것에 대한 저장고 내 온도가 -66.9℃이었다. 이것에 대해, 당해 R14의 중량비율을 1.8중량%로 하면, 급격하게 증발기(13)의 입구온도가 -80.2℃까지 저하하며, 이것에 대한 저장고 내 온도도 -74.1℃까지 저하했다. 서서히 R14의 중량%를 증가시켜 가서, 본 실험에서는 14.1중량%의 시점에서 증발기(13)의 입구온도가 -98.9℃까지 저하하고, 이것에 대한 저장고 내 온도도 -90.0℃까지 저하되고 있다. R14의 비점이 -129.7℃이기 때문에, 이후, R14의 중량비율을 증가시켜 가면, 더욱 증발기(13)의 온도 및 저장고 내 온도가 저하하는 것이 예상된다.
그렇지만, 도 5의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, R14의 중량비율이 증가함에 따라, 고압 측 압력이 상승하고 있다. 이 때문에, 더욱, R14의 중량비율을 증가시켜, 20중량% 이상이 되었을 경우에는, 고압 측 압력이 예를 들면 3Mpa 이상이 되기까지 너무 높아져 버리는 문제가 발생한다. 당해 고압 측 압력의 상승은 압축기(14) 등에 대한 기기의 파손을 초래하는 문제나, 또, 당해 압축기(14)의 기동성이 나빠진다는 문제가 있다. 그 때문에, 바람직하게 목표로 하는 저장고 내 온도를 -75℃ 이하로 하기 위해서는 R14의 중량비율을 전체의 3중량% ~ 20중량%로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 바와 같이 R23의 비점은 -82.1℃이다. 이 때문에, 당해 R23만으로는 증발기(13)의 온도를 당해 비점 이하의 온도를 달성할 수 없다. 그렇지만, 본 발명과 같이 비점이 현저하게 낮은 R14를 소정량, 예를 들면 약 5중량% 이상 가함으로써, R14의 냉각작용에 의해서, 항상적(恒常的)으로 증발기(13)에서의 증발온도를 -80℃ 이하의 초저온을 실현하는 것이 가능하게 된다.
상기 각 실험결과로부터, 냉매회로(12) 내에 봉입되는 비공비 혼합냉매는 총중량에 대해서 R245fa와 R600을 합한 혼합냉매의 총중량이 40중량%부터 80중량%, R23이 15중량%부터 47중량%, R14가 3중량%부터 20중량%로 함으로써, 불연성의 비공비 혼합냉매에 의해서 저장고 내 온도를 -70℃ 이하로 하는 초저온을 실현할 수 있게 된다. 특히, 냉매회로(12) 내에 봉입되는 비공비 혼합냉매는 총중량에 대해서 R245fa와 R600을 합한 혼합냉매의 총중량이 49중량% ~ 70중량%, R23이 21중량% ~ 42중량%, R14가 9중량% ~ 20중량%로 함으로써, 불연성의 비공비 혼합냉매에 의해서 저장고 내 온도를 -85℃ 이하로 하는 초저온을 실현할 수 있게 된다.
이것에 의해, 식품이나, 생체조직, 검체 등의 장기보존을 보다 안정화시킬 수 있어 신뢰도의 향상을 도모할 수 있다. 또, 당해 비공비 혼합냉매는 불연성이기 때문에 안전하게 이용하는 것이 가능하게 되어, 취급성의 향상 및 냉매배관이 파손 등 하여 이 혼합냉매가 누출했을 때에 불붙는 문제점을 회피할 수 있다.
특히, 당해 비공비 혼합냉매의 각 성분의 조성비율을 R245fa와 R600과의 혼합냉매를 64중량%, R23을 24중량%, R14를 12중량%로 했을 경우에는 저장고 내 온도를 -80℃ 이하로 하는 초저온을 실현할 수 있게 된다. 이것에 의해, 한층 더 안정하여 식품이나, 생체조직, 검체 등의 장기보존을 행하는 것이 가능하게 되어, 기기의 신뢰도를 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 R23은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 비점이 -78.4℃인 R116(헥사플루오르에탄(hexafluoroethane) : CF3CF3) 혹은 당해 R23과 R116을 소정 비율로 혼합하여 구성되는 R508A(R23/R116 = 39/61, 비점 : -85.7℃)나 R508B(R23/R116 = 46/54, 비점 : -86.9℃)라도 동일한 효과를 나타내는 것이 가능하다.
또, 본 실시예와 같은 비공비 혼합냉매를 이용함으로써, 냉매조성의 변경에 수반하는 종래부터의 냉동회로를 대부분 변경하지 않고, 그 성능을 유지할 수 있음과 아울러, 오존층의 파괴라는 환경문제에 대응할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명과 같이 증발기(13)로부터 압축기(14)로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관(32)(배관(32A)) 내에 캐필러리 튜브(18)를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 배관(32A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(18) 내의 냉매와의 열교환 효율을 향상시켜 성능의 개선을 도모할 수 있다. 특히, 캐필러리 튜브(18)를 본 발명과 같이 증발기(13)로부터 나온 직후의 흡입배관(32)의 배관(32A) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 하여, 캐필러리 튜브(18)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환 가능하게 구성함으로써, 증발기(13)로부터의 귀환냉매에 의해서, 가장 비점이 낮은 냉매가 효율적으로 냉각되게 되어 성능의 현저한 향상을 도모할 수 있다.
또한, 캐필러리 튜브(18)가 삽입통과되어 이중관 구조로 이루어진 배관(32A)을 단열재(35)로 둘러쌈으로써, 열교환 효율을 한층 더 개선할 수 있게 된다. 더욱이 또, 캐필러리 튜브(18) 내의 냉매의 흐름과, 당해 캐필러리 튜브(18)의 외측의 배관(32A) 내를 통과하는 냉매의 흐름을 대향류로 함으로써, 더욱 열교환 능력의 개선을 도모할 수 있다.
이들에 의해서, 종래와 동일한 사용의 냉동장치와 비교하여, 15% ~ 20% 정도의 에너지 절약을 도모할 수 있게 된다. 또, 증발기(13)의 주위의 온도도 종래보다 저온을 실현하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 종래 사용하고 있던 압축기보다 능력이 작은 압축기로 변경했을 경우라도 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 소비전력량을 더욱 저감할 수 있거나 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
전체적으로, 본 발명에 의해서, 소위 다단(多段)식의 냉동방식을 이용하지 않고, 본 실시예와 같이, 단단식의 냉동 방식에 의해서, 초저온을 실현할 수 있기 때문에, 장치를 간소화할 수 있어 비용의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 냉동장치는 실시예의 냉동장치(R1)에 한정되지 않고, 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 것이면 본 발명은 유효하다. 또, 본 실시예에 있어서, 열교환기(16)를 사용하지 않는 경우는, 다른 주지의 냉각수단을 이용하여, 압축가스의 온도를 이들 온도범위로 냉각하여 목적으로 하는 응축과정의 진행을 도모해도 된다.
또한, 본 실시예에서는, 냉매회로(12)에 R245fa, R600, R23, R14를 포함하는 비공비 혼합냉매 또는 R245fa, R600, R116, R14를 포함하는 비공비 혼합냉매 또는 R245fa, R600, R508A, R14를 포함하는 비공비 혼합냉매 또는 R245fa, R600, R508B, R14를 포함하는 비공비 혼합냉매를 봉입하는 것으로서 설명했지만, 이것에 한정하지 않고, 단일 냉매를 사용한 경우라도 본 발명은 유효하다.
[실시예 2]
다음으로, 본 발명의 다른 실시예의 냉동장치에 대해서, 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6은 도 1의 초저온 저장고(1)의 냉동장치를 구성하는 다른 하나 실시예의 냉매회로도이다. 이 경우, 당해 냉동장치(R2)의 냉매회로를 구성하는 압축기(54, 84) 등은 초저온 저장고(1)의 단열케이스(2)의 하부에 위치하는 도시하지 않은 기계실에 설치되어 있고, 증발기(냉매배관)(83)는 상기 실시예 1의 증발기(13)와 마찬가지로, 내부케이스(4)의 단열재(7) 측의 둘레면에 교열적으로 장착되어 있다.
본 실시예의 냉동장치(R2)의 냉매회로는 다원(多元)(2원) 단단의 냉매회로로서, 각각 독립한 냉매 폐회로를 구성하는 고온 측 냉매회로(52)와 저온 측 냉매회로(82)로 구성되어 있다. 고온 측 냉매회로(52)를 구성하는 압축기(54)는 단상 혹은 삼상 교류전원을 이용하는 전동압축기이다. 이 압축기(54)는 디슈퍼히터(60)가 접속되며, 압축기(54)에서 압축된 냉매를, 일단, 외부로 토출하여 방열한 후, 밀폐용기의 쉘 내로 귀환시켜, 다시, 냉매토출관(71)으로 토출하는 구성으로 되어 있다. 당해 압축기(54)의 토출 측에 접속된 냉매토출관(71)은 보조응축기(프리콘덴서)(61)에 접속된다. 이 보조응축기(61)는 저장실(8)의 개구가장자리를 가열하여 이슬 부착을 방지하기 위한 프레임파이프(62)에 접속된다. 프레임파이프(62)를 나온 냉매배관은 저온 측 냉매회로(82)를 구성하는 압축기(84)의 오일쿨러(84C)에 접속된 후, 응축기(콘덴서)(55)에 접속된다.
그리고, 응축기(55)를 나온 냉매배관은 고온 측 디하이드레이터(dehydrater)(드라이코어)(57) 및 캐필러리 튜브(58)에 접속된다. 디하이드레이터(57)는 고온 측 냉매회로(52) 내의 수분을 제거하기 위한 수분제거수단이다. 또, 캐필러리 튜브(58)는 캐스캐이드 열교환기(56)의 고온 측 증발기(59)로부터 나와 압축기(54)로 돌아오는 흡입배관(72)의 일부(72A) 내에 삽입통과되어 있다.
구체적으로는, 증발기(59)의 토출 측에 있고, 또한, 어큐뮬레이터(68)의 흡입 측에 위치하는 흡입배관(72)의 일부인 배관(72A) 내에 캐필러리 튜브(58)를 삽입통과시켜 도 3에 나타내는 바와 같이 이중관 구조를 구성하고 있다. 이러한 이중관 구조에 의해서, 당해 이중관(67)(이하, 이중관 구조체라고 칭함)의 내측이 되는 캐필러리 튜브(58)를 흐르는 냉매와, 그 외측이 되는 배관(72A)을 흐르는 증발기(83)로부터의 냉매가 열교환 가능하게 구성되어 있다.
상기 이중관 구조체(67)는 상기 실시예 1에서 설명한 이중관 구조체(25)와 동일한 방법으로 제조된다. 즉, 먼저, 비교적 큰 직경의 직관 모양의 배관(72A) 내에 직관 모양의 캐필러리 튜브(58)를 삽입통과시킨다. 다음으로, 이러한 이중관을 나선 모양으로 복수단 감아 돌린다. 이 때, 배관(72A)의 축의 중심과, 캐필러리 튜브(58)의 축의 중심이 가능한 한 일치하도록 감아 돌려, 나선 모양의 이중관을 형성한다. 이것에 의해, 배관(72A)의 내벽면과 캐필러리 튜브(58)의 외벽면과의 사이에 가능한 한 일관해서 틈새를 구성한다. 이와 같이, 이중관을 복수단 나선 모양으로 감아 돌려, 나선 모양의 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(58)의 길이를 충분히 확보하고, 또한, 이러한 이중관 구조의 열교환 부분을 충분히 확보하면서, 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 다음으로, 배관(72A)의 양단에, 양단과 가로로 구멍이 뚫린 캡 모양의 접속배관(도시생략)을 장착하고, 가로의 구멍으로부터 캐필러리 튜브(58)의 단부를 각각 인출한 후, 당해 가로 구멍을 용접하여 밀봉한다. 또한, 배관(72A)의 일단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(72A)의 접속부를 용접하고, 이 접속배관의 타단에 증발기(59)의 토출 측에 접속된 흡입배관(72)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 마찬가지로, 배관(72A)의 타단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(72A)의 접속 부분을 용접하고, 이 접속배관의 타단에 어큐뮬레이터(68)에 이르는 흡입배관(72)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 그리고, 이러한 이중관 구조로 이루어진 배관(72A)의 외주를 단열재(도시생략)에 의해서 둘러쌈으로써, 본 실시예의 이중관 구조체(67)를 구성할 수 있다.
이와 같이, 캐필러리 튜브(58)를 흡입배관(72)(배관(72A)) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(58) 내를 통과하는 냉매와 흡입배관(72)(배관(72A)) 내를 관통하는 냉매는 캐필러리 튜브(58)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해 열교환하게 된다. 이것에 의해, 종래의 흡입배관의 외주면에 캐필러리 튜브를 첨설한 구조에 비해, 열교환 성능을 현격히 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상술한 바와 같이 이중관 구조의 배관(72A)의 외주 전체를 단열재에 의해서 둘러쌈으로써, 외부로부터의 열의 영향을 받기 어려워져, 배관(72A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(58) 내의 냉매와의 열교환 능력을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다. 더욱이 또, 이중관 구조의 내측이 되는 캐필러리 튜브(58) 내와, 당해 캐필러리 튜브(58)의 외측의 흡입배관(72)(배관(72A)) 내에서 냉매의 흐름이 대향류가 되도록 냉매를 흐르게 함으로써, 당해 이중관 구조체(67)에서의 열교환 능력을 한층 더 개선할 수 있게 된다.
또, 캐필러리 튜브(58)를 나온 냉매배관은 저온 측 냉매회로(82)의 응축기(85)와 교열적으로 설치된 고온 측 증발기(59)에 접속된다. 당해 고온 측 증발기(59)는 저온 측 냉매회로(82)의 응축기(85)와 함께 캐스캐이드 열교환기(56)를 구성하고 있다.
고온 측 증발기(59)로부터 나온 흡입배관(72)은 고온 측 헤더(66), 상기 이중관 구조체(67), 어큐뮬레이터(68), 역지밸브(69)를 순차 경유하여 압축기(54)의 흡입 측에 접속된다.
당해 고온 측 냉매회로(52) 내에는 냉매로서 R404A가 봉입되어 있다. 당해 R404A는 R125(펜타플루오르에탄 : CHF2CF3)와 R143a(1, 1, 1 트리플루오르에탄 : CH3CF3)와, R134a(1, 1, 1, 2-테트라플루오르에탄 : CH2FCF3)로 구성되고, 그 조성은 R125가 44중량%, R143a가 52중량%, R134a가 4중량%이다. 당해 혼합냉매의 비점은 -46.5℃이다.
또한, 고온 측 냉매회로(52) 내에 봉입되는 냉매는 상술한 R404A에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, R134a와 R32(디플루오르메탄(difluoromethane) : CH2F2)와 R125와의 3종 혼합냉매로 이루어지는 R407C를 냉매로 하여 봉입하는 것으로 해도 본 발명은 유효하다.
도 6에서 파선 화살표는 고온 측 냉매회로(52)를 순환하는 냉매의 흐름을 나타내고 있다. 즉, 압축기(54)로부터 토출된 고온가스상태의 냉매는, 일단, 디슈퍼히터(60) 측의 냉매토출관을 통하여 밀폐용기로부터 디슈퍼히터(60)로 토출되어 방열된 후, 다시 밀폐용기의 쉘 내로 돌아온다. 이것에 의해, 밀폐용기의 쉘 내를 디슈퍼히터(60)로 방열하여 온도 저하한 냉매에 의해서 냉각할 수 있다. 그리고, 이러한 고온가스상태의 냉매는 냉매토출관(71)을 통하여 밀폐용기로부터 토출되고, 보조응축기(61), 프레임파이프(62), 저온 측 냉매회로(82)의 압축기(84)의 오일쿨러(84C), 응축기(55)에서 응축되어 방열 액화한 후, 디하이드레이터(57)에서 함유하는 수분이 제거되어 이중관 구조체(67)의 캐필러리 튜브(58)로 유입한다.
여기서, 캐필러리 튜브(58)에서 냉매는 당해 캐필러리 튜브(58)의 전둘레에 설치된 흡입배관(72)(배관(72A)) 내를 통과하는 냉매와, 캐필러리 튜브(58)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하여, 더욱 온도 저하하면서 감압되어, 증발기(59)로 유입한다. 그리고, 증발기(59)에서 R204A가 캐스캐이드 열교환기(56)의 응축기(85) 내를 흐르는 냉매로부터 흡열함으로써 증발한다. 이 때, R204A냉매가 증발함으로써, 응축기(85) 내를 흐르는 냉매가 냉각된다.
그리고, 증발기(59)에서 증발한 냉매는, 그 후, 흡입배관(72)을 통하여 고온 측 증발기(59)로부터 나와, 고온 측 헤더(66)를 거쳐 이중관 구조체(67) 내로 유입하고, 상술한 캐필러리 튜브(58) 내를 흐르는 냉매와 열교환한 후, 어큐뮬레이터(68), 역지밸브(69)를 거쳐 압축기(54)로 귀환한다.
다른 한편, 저온 측 냉매회로(82)를 구성하는 압축기(84)는 고온 측 냉매회로(52)의 압축기(54)와 마찬가지로 단상 혹은 삼상 교류전원을 이용하는 전동압축기이다. 이 압축기(84)는 디슈퍼히터(90)가 접속되고, 압축기(84)에서 압축된 냉매를, 일단, 외부로 토출하여 방열한 후, 밀폐용기의 쉘 내로 귀환시켜, 다시, 냉매토출관(101)으로 토출하는 구성으로 되어 있다. 당해 압축기(84)의 토출 측에 접속된 냉매토출관(101)은 보조응축기(프리콘덴서)(91)에 접속된다. 보조응축기(91)를 나온 냉매배관은 오일세퍼레이터(92)에 접속된다. 이 오일세퍼레이터(92)에는 압축기(84)로 돌아오는 오일복귀관(103)이 접속된다.
오일세퍼레이터(92)를 나온 냉매배관은 내부 열교환기(93)에 도달한다. 이 내부 열교환기(93)는, 압축기(84)에서 압축되고, 캐필러리 튜브(88)를 향하는 도중의 고압 측 냉매와 증발기(83)에서 증발하며, 압축기(84)로 돌아오는 도중의 저압 측 냉매를 열교환하기 위한 열교환기이다.
내부 열교환기(93)를 거친 고압 측의 냉매배관은 응축기(85)에 접속된다. 당해 응축기(85)는 상술한 바와 같이 고온 측 냉매회로(52)의 고온 측 증발기(59)와 함께 캐스캐이드 열교환기(56)를 구성하고 있다. 응축기(85)로부터 나온 냉매배관은 저온 측 디하이드레이터(드라이코어)(87) 및 캐필러리 튜브(88)에 접속된다. 디하이드레이터(87)는 저온 측 냉매회로(82) 내의 수분을 제거하기 위한 수분제거수단이다. 또, 캐필러리 튜브(88)는 증발기(83)로부터 나와 압축기(84)로 돌아오는 흡입배관(102)의 일부(배관(102A)) 내에 삽입통과되어 있다.
구체적으로는, 증발기(83)의 토출 측에 있고, 또한, 내부 열교환기(93)의 흡입 측에 위치하는 흡입배관(102)의 일부인 배관(102A) 내에 캐필러리 튜브(88)를 삽입통과시켜 도 3에 나타내는 바와 같이 이중관 구조를 구성하고 있다. 이러한 이중관 구조에 의해서, 당해 이중관(95)(이하, 이중관 구조체라고 칭함)의 내측이 되는 캐필러리 튜브(88)를 흐르는 냉매와, 그 외측이 되는 배관(102A)을 흐르는 증발기(83)로부터의 냉매가 열교환 가능하게 구성되어 있다.
상기 이중관 구조체(95)는 상기 실시예 1에서 설명한 이중관 구조체(25)와 동일한 방법으로 제조된다. 즉, 먼저, 비교적 큰 직경의 직관 모양의 배관(102A) 내에 직관 모양의 캐필러리 튜브(88)를 삽입통과시킨다. 다음으로, 이러한 이중관을 나선 모양으로 복수단 감아 돌린다. 이 때, 배관(102A)의 축의 중심과, 캐필러리 튜브(88)의 축의 중심이 가능한 한 일치하도록 감아 돌려, 나선 모양의 이중관을 형성한다. 이것에 의해, 배관(102A)의 내벽면과 캐필러리 튜브(88)의 외벽면과의 사이에 가능한 한 일관해서 틈새를 구성한다. 이와 같이, 이중관을 복수단 나선 모양으로 감아 돌려, 나선 모양의 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(88)의 길이를 충분히 확보하고, 또한, 이러한 이중관 구조의 열교환 부분을 충분히 확보하면서, 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 다음으로, 배관(102A)의 양단에, 양단과 가로로 뚫린 캡 모양의 접속배관(도시생략)을 장착하고, 가로의 구멍으로부터 캐필러리 튜브(88)의 단부를 각각 인출한 후, 당해 가로 구멍을 용접하여 밀봉한다. 또한, 배관(102A)의 일단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(102A)의 접속부를 용접하고, 이 접속배관의 타단에 증발기(83)의 토출 측에 접속된 흡입배관(102)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 마찬가지로, 배관(102A)의 타단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(102A)의 접속 부분을 용접하고, 이 접속배관의 타단에 내부 열교환기(93)에 이르는 흡입배관(102)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 그리고, 이러한 이중관 구조로 이루어진 배관(102A)의 외주를 단열재(105)에 의해서 둘러쌈으로써, 본 실시예의 이중관 구조체(95)를 구성할 수 있다.
이와 같이, 캐필러리 튜브(88)를 흡입배관(102)(배관(102A)) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(88) 내를 통과하는 냉매와 흡입배관(102)(배관(102A)) 내를 통과하는 냉매는, 캐필러리 튜브(88)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하게 된다. 이것에 의해, 종래의 흡입배관의 외주면에 캐필러리 튜브를 첨설한 구조에 비해, 열교환 성능을 현격히 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상술한 바와 같이 이중관 구조의 배관(102A)의 외주 전체를 단열재(105)에 의해서 둘러쌈으로써, 외부로부터의 열의 영향을 받기 어려워져, 배관(102A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(88) 내의 냉매와의 열교환 능력을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다. 더욱이 또, 이중관 구조의 내측이 되는 캐필러리 튜브(88) 내와, 당해 캐필러리 튜브(88)의 외측의 흡입배관(102)(배관(102A)) 내에서 냉매의 흐름이 대향류가 되도록 냉매를 흐르게 함으로써, 당해 이중관 구조체(95)에서의 열교환 능력을 한층 더 개선할 수 있게 된다.
이러한 이중관 구조체(95)는 상기 실시예 1의 이중관 구조체(25)와 마찬가지로, 내부케이스(4)의 배면 측의 아래쪽이 되는 단열재(7) 내에 출입 가능하게 수납되어 있다.
한편, 당해 이중관 구조체(95)를 나온 흡입배관(102)은 내부 열교환기(93)를 거쳐 압축기(84)의 흡입 측에 접속된다. 압축기(84)에는 냉매배관(106)이 더 접속되어 있고, 당해 냉매배관(106)에는 압축기(84) 정지시에 냉매를 저장하는 팽창탱크(107)가 감압장치로서의 캐필러리 튜브(108)를 통하여 접속되어 있다.
한편, 당해 저온 측 냉매회로(82) 내에는 냉매로서 R508A가 봉입되어 있다. 당해 R508A는 R23(트리플루오르메탄 : CHF3)와 R116(헥사플루오르에탄 : CF3CF3)으로 구성되며, 그 조성은 R23이 39중량%, R116가 61중량%이다. 당해 혼합냉매의 비점은 -85.7℃이다.
또한, 저온 측 냉매회로(82) 내에 봉입되는 냉매는 본 실시예에서 설명한 R508A에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, R508A에 대신하여 R23과 R116와의 혼합비율이 다른 R508B(R23/R116 : 46/54)를 이용한 경우라도 본 발명은 유효하다.
도 6에서 실선 화살표는 저온 측 냉매회로(82)를 순환하는 냉매의 흐름을 나타내고 있다. 구체적으로 당해 저온 측 냉매회로(82)에서의 냉매의 흐름을 설명하면, 압축기(84)로부터 토출된 고온가스상태의 냉매는, 일단, 디슈퍼히터(90) 측의 냉매토출관을 통하여 밀폐용기로부터 디슈퍼히터(90)로 토출되어 방열된 후, 재차 밀폐용기의 쉘 내로 돌아온다. 이것에 의해, 밀폐용기의 쉘 내를 디슈퍼히터(90)로 방열하여 온도 저하한 냉매에 의해서 냉각할 수 있다. 그리고, 이러한 고온가스상태의 냉매는 냉매토출관(101)을 통하여 밀폐용기로부터 토출되고, 보조응축기(91)에서 방열한 후, 오일세퍼레이터(92) 내로 유입한다.
당해 오일세퍼레이터(92)에서 냉매와 혼합하고 있는 압축기(84)의 윤활오일의 대부분과 보조응축기(91)에서 응축 액화한 냉매의 일부가 오일복귀관(103)에서 압축기(84)로 귀환된다. 한편, 오일세퍼레이터(92)로부터 나온 냉매는 내부 열교환기(93), 응축기(85)에서 응축되어 방열 액화한 후, 저온 측 디하이드레이터(87)에서 함유하는 수분이 제거되어 캐필러리 튜브(88)로 유입한다.
여기서, 캐필러리 튜브(88)에서 냉매는 당해 캐필러리 튜브(88)의 전둘레에 설치된 흡입배관(102)(배관(102A)) 내를 통과하는 냉매와, 캐필러리 튜브(88)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하여, 더욱 온도 저하하면서 감압되어 증발기(83)로 유입한다. 그리고, 증발기(83)에서 냉매 R508A가 주위로부터 열을 빼앗아 증발한다. 이 때, 냉매 R508이 증발기(83)에서 증발함으로써, 냉각작용을 발휘하여, 이 증발기(83)의 주위를 -86℃ ~ -87℃라는 초저온으로 냉각한다. 이 경우, 상술한 바와 같이 당해 증발기(냉매배관)(83)는 내부케이스(4)의 단열재(7) 측을 따라 교열적으로 감아 돌려 구성되어 있으므로, 이러한 증발기(83)의 냉각에 의해서, 초저온 저장고(1)의 저장실(8) 내를 -80℃ 이하의 저장고 내 온도로 하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 증발기(83)에서 증발한 냉매는, 그 후, 흡입배관(102)을 통하여 증발기(83)로부터 나와, 상술한 이중관 구조체(95), 내부 열교환기(93)를 거쳐 압축기(84)로 귀환한다.
다른 한편, 저온 측 냉매회로(82)를 구성하는 압축기(84)는 저장실(8) 내의 저장고 내 온도에 근거하고, 도시하지 않은 제어장치에 의해서, ON-OFF제어가 행해진다. 이 경우, 제어장치에 의해서 압축기(84)의 운전이 정지되면, 저온 측 냉매회로(82) 내의 혼합냉매는 냉매배관(106)로부터 캐필러리 튜브(108)를 통하여 팽창탱크(107) 내로 회수된다.
이것에 의해, 냉매회로(82) 내의 압력이 상승하는 것을 방지할 수 있다. 또, 제어장치에 의해서 압축기(84)가 기동되었을 때에는 캐필러리 튜브(108)를 통하여 서서히 팽창탱크(107)로부터 압축기(84) 내로 냉매를 되돌림으로써, 압축기(84)의 기동부하를 경감하는 것이 가능하게 된다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 증발기(83)로부터 압축기(84)로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관(102)(배관(102A)) 내에 캐필러리 튜브(88)를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 배관(102A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(88) 내의 냉매와의 열교환 효율을 향상시켜 성능의 개선을 도모할 수 있다.
특히, 캐필러리 튜브(88)를 본 발명과 같이 증발기(83)로부터 나온 직후의 흡입배관(102)의 배관(102A) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 하여, 캐필러리 튜브(88)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환 가능하게 구성함으로써, 증발기(83)로부터의 귀환냉매에 의해서, 가장 비점이 낮은 냉매가 효율적으로 냉각되게 되어 성능의 현저한 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 본 실시예와 같은 초저온 저장고(1)에서는 특히 유효하다.
또한, 캐필러리 튜브(88)가 삽입통과되어 이중관 구조로 이루어진 배관(102A)을 단열재(105)로 둘러쌈으로써, 열교환 효율을 한층 더 개선할 수 있게 된다. 더욱이 또, 캐필러리 튜브(88) 내의 냉매의 흐름과, 당해 캐필러리 튜브(88)의 외측의 배관(102A) 내를 통과하는 냉매의 흐름을 대향류로 함으로써, 더욱 열교환 능력의 개선을 도모할 수 있다.
더욱이 또, 본 실시예에서는 고온 측 냉매회로(52)의 감압수단으로서의 캐필러리 튜브(58)도 저온 측 냉매회로(82)의 캐필러리 튜브(88)와 마찬가지로 이중관 구조로 이루어져, 이러한 이중관 구조의 배관(72A)이 단열재로 둘러싸여 있다. 또한, 이중관 구조의 내측이 되는 캐필러리 튜브(58) 내와, 당해 캐필러리 튜브(58)의 외측의 흡입배관(72)(배관(72A)) 내에서 냉매의 흐름이 대향류가 된다. 이것에 의해, 증발기(59)로부터의 귀환냉매에 의해서, 캐필러리 튜브(58) 내의 냉매를 효율적으로 냉각할 수 있다. 이것에 의해, 열교환 효율을 한층 더 향상시켜, 더욱 성능의 개선을 도모할 수 있다.
전체적으로, 본 발명에 의해서 효율적으로 저장실(8) 내를 소망의 초저온으로 냉각 가능하게 하는 초저온 저장고(1)를 실현할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면, 종래와 동일한 사용의 냉동장치에 비해, 15% ~ 20% 정도의 에너지 절약을 도모할 수 있게 된다. 또, 증발기(13)의 주위의 온도도 종래에서는 -83℃ 정도이었지만, 상술한 본 발명의 구조로 함으로써, -86℃ ~ -87℃라는 저온을 실현하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 종래, 저온 측 냉매회로(82)의 압축기로서 사용하고 있던 200V 사양의 압축기로부터 능력이 작은 115V 사양의 압축기로 변경한 경우라도 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 소비전력량을 한층 더 저감할 수 있거나, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
[실시예 3]
다음으로, 본 발명의 또 하나의 다른 실시예의 냉동장치에 대해서, 도 7을 이용하여 설명한다. 도 7은 도 1의 초저온 저장고(1)의 냉동장치를 구성하는 또 하나의 다른 실시예의 냉매회로도이다. 이 경우, 당해 냉동장치(R3)의 냉매회로를 구성하는 압축기(114) 등은 초저온 저장고(1)의 단열케이스(2)의 하부에 위치하는 도시하지 않은 기계실에 설치되어 있고, 증발기(냉매배관)(113)는 내부케이스(4)의 단열재(7) 측의 둘레면에 교열적으로 장착되어 있다.
본 실시예의 냉동장치(R3)의 냉매회로는 압축기(114), 응축기(115), 증발기(113), 이 증발기(113)로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 단일의 중간 열교환기(116) 및 복수의 캐필러리 튜브(118, 135)를 가지는 단원 다단(2단)의 냉매회로(112)로 구성되어 있다. 냉매회로(112)를 구성하는 압축기(114)는 상기 각 실시예와 마찬가지로 단상 혹은 삼상 교류전원을 이용하는 전동압축기이다. 이 압축기(114)의 토출 측에 접속된 냉매토출관(131)은 보조응축기(프리콘덴서)(121)에 접속된다. 이 보조응축기(121)는 저장실(8)의 개구가장자리를 가열하여 이슬 부착을 방지하기 위한 프레임파이프(122), 압축기(114)의 오일쿨러(114C)에 접속된 후, 응축기(콘덴서)(115)에 접속된다. 또한, 본 실시예에서, 보조응축기(121) 및 응축기(115)는 일체의 응축기로서 구성되어 있고, 응축기용 송풍기로서의 응축용 팬(129)에 의해서 냉각된다.
그리고, 응축기(115)를 나온 냉매배관은 디하이드레이터(드라이코어)(117)를 통하여 분류기(130)에 접속된다. 디하이드레이터(117)는 냉매회로(112) 내의 수분을 제거하기 위한 수분제거수단이다. 분류기(130)는 보조응축기(121), 프레임파이프(122), 응축기(115)를 통과하는 과정에서 응축하여 액화한 냉매(응축냉매)와, 아직 응축하지 않고 기체 상태인 채의 냉매(미응축냉매)를 분리하기 위한 기액분리기이다. 이 분류기(130)의 토출 측(출구 측)에 접속되고, 당해 분류기(130)에 의해서 분리된 기상(氣相)냉매(미응축냉매)를 취출하기 위한 기상배관(133)은 응축파이프(123)에 접속된다.
이 응축파이프(123)는 보조증발기(136)와 함께, 중간 열교환기(116)를 구성하고 있다. 당해 중간 열교환기(116)는 분류기(130)에 의해서 분리된 액상냉매(응축냉매)를 캐필러리 튜브(135)에서 감압한 후, 중간 열교환기(116)의 보조증발기(136)로 흘려, 거기서 증발시킴으로써, 응축파이프(123)를 흐르는 기상냉매(미응축냉매)를 냉각하여 응축시키기 위한 것이다. 응축파이프(123)로부터 나온 냉매배관은 캐필러리 튜브(최종단계의 캐필러리 튜브)(118)를 통하여 증발기(이베포레이터)(113)에 접속된다.
상기 캐필러리 튜브(118)는 증발기(113)로부터 나와 압축기(114)로 돌아오는 흡입배관(132)의 일부(배관(132A)) 내에 삽입통과되어 있다. 구체적으로는, 증발기(113)의 토출 측에 있고, 또한, 중간 열교환기(116)의 흡입 측에 위치하는 흡입배관(132)의 일부인 배관(132A) 내에 캐필러리 튜브(118)를 삽입통과시켜 도 3에 나타내는 바와 같이 이중관 구조를 구성하고 있다. 이러한 이중관 구조에 의해서, 당해 이중관(125)(이하, 이중관 구조체라고 칭함)의 내측이 되는 캐필러리 튜브(118)를 흐르는 냉매와, 그 외측이 되는 배관(132A)을 흐르는 증발기(113)로부터의 냉매가 열교환 가능하게 구성되어 있다.
상기 이중관 구조체(125)는 상기 실시예 1에서 설명한 이중관 구조체(25)와 동일한 방법으로 제조된다. 즉, 먼저, 비교적 큰 직경의 직관 모양의 배관(132A) 내에 직관 모양의 캐필러리 튜브(118)를 삽입통과시킨다. 다음으로, 이러한 이중관을 나선 모양으로 복수단 감아 돌린다. 이 때, 배관(132A)의 축의 중심과, 캐필러리 튜브(118)의 축의 중심이 가능한 한 일치하도록 감아 돌려 나선 모양의 이중관을 형성한다. 이것에 의해, 배관(132A)의 내벽면과 캐필러리 튜브(118)의 외벽면과의 사이에 가능한 한 일관해서 틈새를 구성한다. 이와 같이, 이중관을 복수단 나선 모양으로 감아 돌려, 나선 모양의 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(118)의 길이를 충분히 확보하고, 또한, 이러한 이중관 구조의 열교환 부분을 충분히 확보하면서, 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 다음으로, 배관(132A)의 양단에, 양단과 가로로 구멍이 뚫린 캡 모양의 접속배관(도시생략)을 장착하고, 가로의 구멍으로부터 캐필러리 튜브(118)의 단부를 각각 인출한 후, 당해 가로 구멍을 용접하여 밀봉한다. 또한, 배관(132A)의 일단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(132A)의 접속부를 용접하고, 이 접속배관의 타단에 증발기(113)의 토출 측에 접속된 흡입배관(102)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 마찬가지로, 배관(132A)의 타단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(132A)의 접속 부분을 용접하고, 이 접속배관의 타단에 중간 열교환기(116)에 이르는 흡입배관(102)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 그리고, 이러한 이중관 구조로 이루어진 배관(132A)의 외주를 단열재(140)에 의해 둘러쌈으로써, 본 실시예의 이중관 구조체(125)를 구성할 수 있다.
이와 같이, 캐필러리 튜브(118)를 흡입배관(132) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(118) 내를 통과하는 냉매와 흡입배관(132) 내를 통과하는 냉매는 캐필러리 튜브(118)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하게 된다. 이것에 의해, 종래의 흡입배관의 외주면에 캐필러리 튜브를 첨설한 구조에 비해 열교환 성능을 현격히 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상술한 바와 같이 이중관 구조의 배관(132A)의 외주 전체를 단열재(140)에 의해서 둘러쌈으로써, 외부로부터의 열의 영향을 받기 어려워져, 배관(132A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(118) 내의 냉매와의 열교환 능력을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다. 더욱이 또, 이중관 구조의 내측이 되는 캐필러리 튜브(118) 내와, 당해 캐필러리 튜브(118)의 외측의 흡입배관(132)(배관(132A)) 내에서 냉매의 흐름이 대향류가 되도록 냉매를 흘림으로써, 당해 이중관 구조체(125)에서의 열교환 능력을 한층 더 개선할 수 있게 된다.
이러한 이중관 구조체(125)는 상기 각 실시예의 이중관 구조체(25, 95)와 마찬가지로, 내부케이스(4)의 배면 측의 하부가 되는 단열재(7) 내에 출입 가능하게 수납되어 있다.
한편, 증발기(113)를 나온 흡입배관(132)은 상술한 이중관 구조체(125)의 배관(132A)을 통과하여 보조증발기(136)에 접속된다. 그리고 보조증발기(136)를 나온 흡입배관(132)은 압축기(114)의 흡입 측에 접속된다. 흡입배관(132)의 당해 응축기(114)와 보조증발기(136)와의 사이에는 또한 압축기(114) 정지시에 냉매를 저장하는 팽창탱크(137)가 감압장치로서의 캐필러리 튜브(138)를 통하여 접속되어 있다.
그리고, 냉매회로(112) 내에는 냉매로서 비점이 다른 복수 종류의 혼합냉매로 이루어지는 비공비 혼합냉매가 봉입된다. 본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지로, R245fa(1, 1, 1. -3, 3-펜타플루오로프로판 : CF3CH2CHF2), R600(부탄 : CH3CH2CH2CH3) R23(트리플루오르메탄 : CHF3) 및 R14(테트라플로우르메탄 : CF4)로 이루어지는 비공비 혼합냉매가 봉입된다.
또한, 냉매회로(112)에 봉입되는 냉매는 상술한 R245fa, R600, R23, R14를 포함하는 비공비 혼합냉매에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, R245fa, R600, R116, R14를 포함하는 비공비 혼합냉매 또는 R245fa, R600, R508A, R14를 포함하는 비공비 혼합냉매 또는 R245fa, R600, R508B, R14를 포함하는 비공비 혼합냉매를 봉입하는 것으로 하여도 상관없으며, 그 외의 냉매를 사용하는 것으로 하여도 본 발명은 유효하다.
도 7에서 화살표는 냉매회로(112)를 순환하는 냉매의 흐름을 나타내고 있다. 구체적으로 설명하면, 압축기(114)로부터 토출된 고온가스상태의 냉매는 냉매토출관(131)을 통하여 밀폐용기로부터 토출되고, 보조응축기(121), 프레임파이프(122), 압축기(114)의 오일쿨러(114C), 응축기(115)를 차례차례 통과한다. 압축기(114)로부터 토출된 고온가스상태의 냉매는 당해 보조응축기(121), 프레임파이프(122), 오일쿨러(114C), 응축기(115)를 통과하는 과정에서 방열하여, 혼합냉매 중의 비점이 높은 냉매(R245fa, R600)가 응축 액화한다.
그리고, 응축기(115)를 나온 혼합냉매는 디하이드레이터(117)에서 함유하는 수분이 제거되어 분류기(130)로 유입한다. 이 시점에서는 혼합냉매 중의 R23과 R14는 비점이 지극히 낮기 때문에 아직 응축되지 않고 가스 상태이며, 비점이 높은 R245fa와 R600가 응축 액화되어 있기 때문에, R23과 R14는 기상배관(133)에, R245fa와 R600은 액상배관(134)으로 분리된다. 기상배관(133)으로 유입한 냉매혼합물은 중간 열교환기(116)를 구성하는 응축파이프(123)로 유입한다.
또, 액상배관(134)으로 유입한 혼합냉매는 캐필러리 튜브(135)에서 감압된 후, 상기 응축파이프(123)와 함께 중간 열교환기(116)를 구성하는 보조증발기(136)로 유입하고, 증발기(113)로부터 귀환해 오는 냉온의 냉매와 함께 응축파이프(123)를 흐르는 R23과 R14를 냉각한다. 이것에 의해, 응축파이프(123)를 흐르는 R23과 R14가 응축 액화한다. 그리고, 당해 중간 열교환기(116)에서 응축한 R23과 R14는 그 후, 응축파이프(123)로부터 나와, 캐필러리 튜브(118)로 유입한다.
여기서, 캐필러리 튜브(118)에서 냉매는 당해 캐필러리 튜브(118)의 전둘레에 설치된 흡입배관(132)(배관(132A)) 내를 통과하는 냉매와, 캐필러리 튜브(118)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하여, 더욱 온도 저하하면서 감압되어 증발기(113)로 유입한다. 그리고, 증발기(113)에서 냉매 R14, R23이 주위로부터 열을 빼앗아 증발한다. 이 때, 냉매 R14, R23이 증발기(113)로 증발함으로써, 냉각작용을 발휘하여, 이 증발기(113)의 주위를 -85℃라는 초저온으로 냉각한다. 이 경우, 상술한 바와 같이 당해 증발기(냉매배관)(113)는 내부케이스(4)의 단열재(7) 측을 따라 교열적으로 감아 돌려 구성되어 있으므로, 이러한 증발기(113)의 냉각에 의해서, 초저온 저장고(1)의 저장실(8) 내를 -80℃ 이하의 저장고 내 온도로 할 수 있다.
그리고, 증발기(113)에서 증발한 냉매는, 그 후, 흡입배관(132)을 통하여 증발기(113)로부터 나와, 상술한 이중관 구조체(125)를 거쳐 중간 열교환기(116)의 보조증발기(136)로 유입하고, 당해 보조증발기(136)에서 증발한 비점이 높은 냉매(R245fa, R600)와 합류한다. 그 후, 냉매는 보조응축기(136)를 나와 압축기(114)로 귀환한다.
다른 한편, 냉매회로(112)를 구성하는 압축기(114)는 저장실(8) 내의 저장고 내 온도에 근거하고, 도시하지 않은 제어장치에 의해서, ON-OFF제어가 행해진다. 이 경우, 제어장치에 의해서 압축기(114)의 운전이 정지되면, 저온 측 냉매회로(112) 내의 혼합냉매는 캐필러리 튜브(138)를 통하여 팽창탱크(137) 내로 회수된다.
이것에 의해, 냉매회로(112) 내의 압력이 상승하는 것을 방지할 수 있다. 또, 제어장치에 의해서 압축기(114)가 기동되었을 때에는 캐필러리 튜브(138)를 통하여 서서히 팽창탱크(137)로부터 냉매회로(112) 중에 냉매를 되돌림으로써, 압축기(114)의 기동부하를 경감하는 것이 가능하게 된다.
이상 상세히 설명한 본 실시예와 같이 증발기(113)로부터 압축기(114)로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관(132)(배관(132A)) 내에 캐필러리 튜브(118)를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 배관(132A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(118) 내의 냉매와의 열교환 효율을 향상시켜 성능의 개선을 도모할 수 있다. 특히, 캐필러리 튜브(118)를 본 발명과 같이 증발기(113)로부터 나온 직후의 흡입배관(132)의 배관(132A) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 하여, 캐필러리 튜브(118)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환 가능하게 구성함으로써, 증발기(113)로부터의 귀환냉매에 의해서, 가장 비점이 낮은 냉매가 효율적으로 냉각되게 되어 성능의 현저한 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 본 실시예와 같은 초저온 저장고(1)에서는 특히 유효하다.
또한, 캐필러리 튜브(118)가 삽입통과되어 이중관 구조로 이루어진 배관(132A)을 단열재(140)로 둘러쌈으로써, 열교환 효율을 한층 더 개선할 수 있게 된다. 더욱이 또, 캐필러리 튜브(118) 내의 냉매의 흐름과, 당해 캐필러리 튜브(118)의 외측의 흡입배관(132A) 내를 통과하는 냉매의 흐름을 대향류로 함으로써, 한층 더 열교환 능력의 개선을 도모할 수 있다.
전체적으로, 본 발명에 의해서 효율적으로 저장실(8) 내를 소망의 초저온까지 냉각 가능하게 하는 초저온 저장고(1)를 실현할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면, 종래의 같은 사용의 냉동장치에 비해 15% ~ 20% 정도의 에너지 절약을 도모할 수 있게 된다. 또, 증발기(113)의 주위의 온도도 종래보다 저온으로 하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 종래의 압축기보다 능력이 작은 압축기로 변경한 경우라도 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 소비전력량을 한층 더 저감할 수 있거나, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 상기에서 설명한 냉매회로(112)만으로 초저온 저장고(1)의 냉동장치(R3)를 구성하는 것으로 하여도 되지만, 도 7에 나타내는 바와 같이 냉매회로(112)에 더하여, 당해 냉매회로(112)와 동일한 회로구성으로 이루어지는 냉매회로(152)를 병설하여, 2개의 냉매회로(112, 152)에 의해서 초저온 저장고(1)의 냉동장치(R3)를 구성하는 것으로 하여도 지장없다. 이 냉매회로(152)의 회로 구성 및 냉매의 흐름은 상술하는 냉매회로(112)와 동일하기 때문에, 냉매회로(112)를 구성하는 각 부재와 동일한 부호를 부여하고 있다. 즉, 냉매회로(112)와 동일한 부호를 부여한 것은 동일 또는 유사한 효과 혹은 작용을 나타내는 것이기 때문에, 여기에서는 설명을 생략한다.
당해 냉매회로(152)를 구성하는 압축기(114) 등은 냉매회로(112)의 압축기(114)와 마찬가지로, 초저온 저장고(1)의 단열케이스(2)의 하부에 위치하는 도시하지 않은 기계실에 설치되어 있고, 냉매회로(152)의 증발기(113)도 냉매회로(112)의 증발기(113)와 마찬가지로, 내부케이스(4)의 단열재(7) 측의 둘레면에 교열적으로 장착되어 있다. 또한, 당해 냉매회로(152)에 봉입하는 냉매 및 당해 냉매의 순환도 상기에서 설명한 냉매회로(112)와 동일하기 때문에 여기에서는 설명을 생략한다.
이와 같이, 저온 저장고(1)의 냉동장치(R3)를 대략 동일한 성능의 2개의 독립한 냉매회로(112, 152)를 병설하여 구성한 경우에는, 한쪽의 냉매회로가 고장났을 경우의 백업으로서 다른 쪽의 냉매회로를 사용하는 것이 가능하게 된다. 즉, 예를 들면, 냉매회로(112)가 고장난 경우라도 냉매회로(152)를 지장 없이 운전하여, 당해 냉매회로(152)의 증발기(113)에 의해서 저장실(8) 내를 초저온으로 유지하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 초저온 저장고(1)의 신뢰성의 향상을 도모할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는 냉동장용을 구성하는 각 냉매회로를 압축기(114), 응축기(115), 증발기(113), 이 증발기(113)로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 단일의 중간 열교환기(116)와, 복수의, 구체적으로는, 2개의 캐필러리 튜브(135, 118)를 가지고, 복수종의 비공비 혼합냉매가 봉입되며, 응축기(115)를 거친 냉매 중의 응축냉매를 캐필러리 튜브(135)를 통하여 중간 열교환기(116)에 합류시키고, 이 중간 열교환기(116)에서 냉매 중의 미응축냉매를 냉각함으로써, 보다 낮은 비점의 냉매를 응축시켜, 최종단계의 캐필러리 튜브(118)를 통하여 최저 비점의 냉매를 증발기(113)로 증발시켜 냉각작용을 발휘시키는 단원이단방식의 냉동장치(R3)로서 설명하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 복수의 중간 열교환기를 직렬접속하여 회로를 구성하는 것으로 하여도 지장없다.
[실시예 4]
다음으로, 본 발명의 또 다른 하나의 다른 실시예의 냉동장치에 대해서, 도 8을 이용하여 설명한다. 도 8은 도 1의 초저온 저장고(1)의 냉동장치를 구성하는 또 다른 하나의 다른 실시예의 냉매회로도이다. 이 경우, 당해 냉동장치(R4)의 냉매회로를 구성하는 압축기(214, 254) 등은 초저온 저장고(1)의 단열케이스(2)의 하부에 위치하는 도시하지 않은 기계실에 설치되어 있고, 증발기(냉매배관)(253)는 상기 각 실시예의 증발기(13, 83, 113)와 마찬가지로, 내부케이스(4)의 단열재(7) 측의 둘레면에 교열적으로 장착되어 있다.
본 실시예의 냉동장치(R4)의 냉매회로는 다원다단의 냉매회로로서, 각각 독립한 냉매 폐회로를 구성하는 고온 측 냉매회로(212)와, 저온 측 냉매회로(252)의 2원 2단의 냉매회로로 구성되어 있다. 고온 측 냉매회로(212)를 구성하는 압축기(214)는 단상 혹은 삼상 교류전원을 이용하는 전동압축기이며, 당해 압축기(214)의 토출 측에 접속된 냉매토출관(231)은 보조응축기(221)에 접속된다. 이 보조응축기(221)는 저장실(8) 개구가장자리를 가열하여 이슬 부착을 방지하기 위한 프레임파이프(222)에 접속된다.
이 프레임파이프(222)는 압축기(214)의 오일쿨러(214C)에 접속된 후, 응축기(215)에 접속된다. 그리고, 응축기(215)를 나온 냉매배관은 저온 측 냉매회로(252)를 구성하는 압축기(254)의 오일쿨러(254C)에 접속된 후, 응축기(223)에 접속되고, 당해 응축기(223)를 나온 냉매배관은 건조기(드라이코어)(217) 및 감압장치로서의 캐필러리 튜브(218)를 차례차례 통하여 당해 고온 측 냉매회로(212)의 증발기를 구성하는 증발기 부분으로서의 고온 측 증발기(213)에 접속된다.
당해 고온 측 증발기(213)는 저온 측 냉매회로(252)의 응축기로서의 응축파이프(255)와 함께 캐스캐이드 열교환기(216)를 구성하고 있다. 보조증발기(213)로부터 나온 흡입배관(232)에는 냉매액저장으로서의 어큐뮬레이터(228)가 접속되고, 당해 어큐뮬레이터(228)를 나온 흡입배관(232)은 압축기(214)의 흡입 측에 접속된다. 또한, 본 실시예에서의 보조응축기(221)와 응축기(215 및 223)는 일체의 응축기로서 구성되어 있으며, 응축기용 송풍기로서의 응축용 팬(229)에 의해서 냉각된다.
고온 측 냉매회로(212)에는 비점이 다른 비공비 냉매로서 R407D와 n-펜탄으로 이루어지는 냉매가 충전된다. R407D는 R32(디플루오르메탄 : CH2F2)와, R125(펜타플루오르에탄 : CHF2CF3)와, R1341a(1, 1, 1, 2-테트라플루오르에탄 : CH2FCF3)로 구성되며, 그 조성은 R32가 15중량%, R125가 15중량%, R134a가 70중량%이다. 각 냉매의 비점은 R32가 -51.8℃, R125가 -48.57℃, R134a가 -26.16℃이다. 또, n-펜탄의 비점은 +36.1℃이다.
이러한 구성에서, 압축기(214)로부터 토출된 고온가스상태의 냉매는 보조응축기(221), 프레임파이프(222), 오일쿨러(214C), 응축기(215), 저온 측 냉매회로(252)의 압축기(254)의 오일쿨러(254C), 응축기(223)에서 응축되어 방열 액화한 후, 건조기(217)에서 함유하는 수분이 제거되어 캐필러리 튜브(218)로 유입한다. 그리고, 당해 캐필러리 튜브(218)에서 감압된 냉매는 캐스캐이드 열교환기(216)를 구성하는 고온 측 증발기(213)로 유입한다. 당해 고온 측 증발기(213)에서 냉매 R32, R125 및 R134a가 응축파이프(255) 내를 흐르는 냉매로부터 흡열함으로써 증발한다. 이 때, 당해 캐스캐이드 열교환기(216)에서 고온 측 냉매회로(212)의 고온 측 증발기(213)의 냉매가 증발함으로써, 응축파이프(255) 내를 흐르는 저온 측 냉매회로(252)의 냉매가 냉각된다.
그리고, 고온 측 증발기(213)에서 증발한 냉매는, 그 후, 흡입배관(232)을 통하여 증발기(213)로부터 나와, 어큐뮬레이터(228)를 거쳐 압축기(214)로 귀환한다.
이 때, 압축기(214)의 능력은 예를 들면 1.5HP이며, 운전중의 고온 측 증발기(213)의 최종도달온도는 -27℃ 내지 -35℃가 된다. 이러한 저온하에서는 냉매 중의 n-펜탄은 비점이 +36.1℃이므로 증발기(213)에서는 증발하지 않고 액체 상태인 채이며, 따라서 냉각에는 대부분 기여하지 않지만, 압축기(214)의 윤활유나 건조기(217)에서 완전히 흡수할 수 없었던 혼입 수분을 그 중에 용입시킨 상태에서 압축기(214)로 귀환시키는 기능과, 그 액체냉매의 압축기(214) 내에서의 증발에 의해서, 압축기(214)의 온도를 저감시키는 기능을 나타낸다.
다른 한편, 저온 측 냉매회로(252)는 압축기(254), 응축파이프(응축기)(255), 증발기(253), 이 증발기(253)로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 복수의 중간 열교환기(262, 266, 270, 272) 및 복수의 캐필러리 튜브(264, 268, 258)를 가지고 있다. 구체적으로, 저온 측 냉매회로(252)를 구성하는 압축기(254)는 상기 압축기(214)와 마찬가지로 단상 혹은 삼상 교류전원을 이용하는 전동압축기이며, 당해 압축기(254)의 토출 측에 접속된 냉매토출관(281)에는 와이어 콘덴서로 구성되는 방열기(259)를 통하여 오일분리기(260)가 접속된다. 이 오일분리기(260)는 압축기(254)로 돌아오는 오일복귀관(287)이 접속된다. 오일분리기(260)의 토출 측에 접속된 냉매배관은 상기 고온 측 증발기(213)와 함께 캐스캐이드 열교환기(216)를 구성하는 응축기로서의 응축파이프(255)에 접속된다.
그리고, 응축파이프(255)의 토출 측에 접속된 냉매배관은 건조기(드라이코어)(257)를 통하여 제1 기액분리기(261)에 접속된다. 기액분리기(261)에 의해서 분리된 기상냉매(미응축냉매)는 기상배관(283)을 통하여 제1 중간 열교환기(262) 내를 통과하여, 제2 기액분리기(265)로 유입한다. 한편, 제1 기액분리기(261)에 의해서 분리된 액상냉매(응축냉매)는 액상배관(284)을 통하여 건조기(263), 감압장치로서의 캐필러리 튜브(268)를 거쳐 제1 중간 열교환기(262)로 유입한다. 당해 제1 중간 열교환기(262)는 제1 기액분리기(261)에 의해서 분리된 액상냉매(응축냉매)를 캐필러리 튜브(264)를 통하여, 당해 중간 열교환기(262)에 합류시키고, 거기서 기상배관(283)을 흐르는 기상냉매(미응축냉매)를 냉각함으로써, 보다 저비점의 냉매를 응축시키기 위한 것이다.
제2 기액분리기(265)에 의해서 분리된 액상냉매는, 액상배관(286)에 의해서, 건조기(267)를 거친 후, 감압장치로서의 캐필러리 튜브(268)를 거쳐 제2 중간 열교환기(266)로 유입한다. 또, 제2 기액분리기(265)에 의해서 분리된 기상냉매는 기상배관(285)을 통하여, 제2 중간 열교환기(266) 내를 통과한다. 당해 제2 중간 열교환기(266)는 제2 기액분리기(265)에 의해서 분리된 액상냉매(응축냉매)를 캐필러리 튜브(268)를 통하여, 당해 중간 열교환기(266)에 합류시키고, 거기서 기상배관(285)을 흐르는 기상냉매(미응축냉매)를 냉각함으로써, 보다 저비점의 냉매를 응축시키기 위한 것이다.
제2 중간 열교환기(266) 내를 통과한 기상배관(285)은, 다음으로, 제3 중간 열교환기(270), 제4 중간 열교환기(272) 및 건조기(274)를 거쳐 감압장치로서의 캐필러리 튜브(258)로 유입한다.
당해 캐필러리 튜브(258)는 증발기(253)로부터 나와 압축기(254)로 돌아오는 흡입배관(282)의 일부(배관(282A)) 내에 삽입통과되어 있다. 구체적으로, 증발기(253)의 토출 측에 있고, 또한, 제4 중간 열교환기(272)의 흡입 측에 위치하는 흡입배관(282)의 일부인 배관(282A) 내에 캐필러리 튜브(258)를 삽입통과시켜, 도 3에 나타내는 바와 같이 이중관 구조를 구성하고 있다. 이러한 이중관 구조에 의해서, 당해 이중관(295)(이하, 이중관 구조체라고 칭함)의 내측이 되는 캐필러리 튜브(258)를 흐르는 냉매와, 그 외측이 되는 배관(282A)을 흐르는 증발기(253)로부터의 냉매가 열교환 가능하게 구성되어 있다.
당해 이중관 구조체(295)는 상술한 실시예 1에서 설명한 이중관 구조체(25)와 동일한 방법으로 제조된다. 즉, 먼저, 비교적 큰 직경의 직관 모양의 배관(282A) 내에 직관 모양의 캐필러리 튜브(258)를 삽입통과시킨다. 다음으로, 이러한 이중관을 나선 모양으로 복수단 감아 돌린다. 이 때, 배관(282A)의 축의 중심과, 캐필러리 튜브(258)의 축의 중심이 가능한 한 일치하도록 감아 돌려, 나선 모양의 이중관을 형성한다. 이것에 의해, 배관(282A)의 내벽면과 캐필러리 튜브(258)의 외벽면과의 사이에 가능한 한 일관해서 틈새를 형성한다. 이와 같이, 이중관을 복수단 나선 모양으로 감아 돌려, 나선 모양의 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(258)의 길이를 충분히 확보하고, 또한, 이러한 이중관 구조의 열교환 부분을 충분히 확보하면서, 소형화를 도모하는 것이 가능하게 된다.
그리고, 다음으로, 배관(282A)의 양단에, 양단과 가로로 구멍이 뚫린 캡 모양의 접속배관(도시생략)을 장착하고, 가로의 구멍으로부터 캐필러리 튜브(258)의 단부를 각각 인출한 후, 당해 가로 구멍을 용접하여 밀봉한다. 또한, 배관(282A)의 일단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(282A)의 접속부를 용접하고, 이 접속배관의 타단에 증발기(253)의 토출 측에 접속된 흡입배관(282)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 마찬가지로, 배관(282A)의 타단에 장착된 접속배관의 일단과 당해 배관(282A)의 접속 부분을 용접하고, 이 접속배관의 타단에 제4 중간 열교환기(272)에 이르는 흡입배관(282)을 접속하여, 이 접속부를 용접한다. 그리고, 이러한 이중관 구조로 이루어진 배관(282A)의 외주를 단열재(297)로 둘러쌈으로써, 본 실시예의 이중관 구조체(295)를 구성할 수 있다.
이와 같이, 캐필러리 튜브(258)를 흡입배관(282) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 캐필러리 튜브(258) 내를 통과하는 냉매와 흡입배관(282) 내를 통과하는 냉매는 캐필러리 튜브(258)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하게 된다. 이것에 의해, 종래의 흡입배관의 외주면에 캐필러리 튜브를 첨설한 구조에 비해 열교환 성능을 현격히 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상술한 바와 같이 이중관 구조의 배관(282A)의 외주 전체를 단열재(297)에 의해서 둘러쌈으로써, 외부로부터의 열의 영향을 받기 어려워져, 배관(282A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(258) 내의 냉매와의 열교환 능력을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다. 더욱이 또, 이중관 구조의 내측이 되는 캐필러리 튜브(258) 내와, 당해 캐필러리 튜브(258)의 외측의 흡입배관(282)(배관(282A)) 내에서 냉매의 흐름이 대향류가 되도록 냉매를 흐르게 함으로써, 당해 이중관 구조체(295)에서의 열교환 능력을 한층 더 개선할 수 있게 된다.
이러한 이중관 구조체(295)는 상기 실시예 1의 이중관 구조체(25)와 마찬가지로, 내부케이스(4)의 배면 측의 아래쪽이 되는 단열재(7) 내로 출입 가능하게 수납되어 있다.
한편, 당해 이중관 구조체(295)를 나온 흡입배관(282)은 제4 중간 열교환기(272), 제3 중간 열교환기(270), 제2 중간 열교환기(266) 및 제1 중간 열교환기(262)에 차례차례 접속된 후, 압축기(254)의 흡입 측에 접속된다. 당해 흡입냉매배관(282)의 압축기(254)와 제1 중간 열교환기(262)와의 사이에는 또한 압축기(254) 정지시에 냉매를 저장하는 팽창탱크(288)가 감압장치로서의 캐필러리 튜브(289)를 통하여 접속되어 있다. 또, 당해 캐필러리 튜브(289)에는 팽창탱크(288)의 방향을 순방향으로 한 역지밸브(290)가 병렬로 접속되어 있다.
다른 한편, 저온 측 냉매회로(252)에는 비점이 다른 7종류의 혼합냉매로서, R245fa와, R600과, R404A와, R508과, R14와, R50, R740을 포함하는 비공비 혼합냉매가 봉입된다. R245fa는 1, 1, 1, -3, 3-펜타플루오르프로판(CF3CH2CHF2)이며, R600은 부탄(CH3CH2CH2CH3)이다. R245fa의 비점은 +15.3℃, R600의 비점은 -0.5℃이다. 이 때문에, 이들을 소정 비율로 혼합함으로써, 종래 이용되고 있던 비점이 +8.9℃의 R21의 대체로서 사용 가능하게 된다.
또한, R600은 가연성 물질이기 때문에, 불연성인 R245fa와 소정 비율, 본 실시예에서는 R245fa/R600 : 70/30의 비율로 혼합함으로써, 불연성으로서 냉매회로(252)에 봉입하는 것으로 한다. 또한, 본 실시예에서는 R245fa와 R600을 합한 총중량에 대해서 R245fa를 70중량%로 하고 있지만, 그 이상이면 불연성이 되기 때문에, 그 이상이라도 되는 것으로 한다.
R404A는 R125(펜타플루오르에탄 : CHF2CF3)와, R143a(1, 1, 1-트리플로오르에탄 : CH3CF3)와, R1341a(1, 1, 1, 2-테트라프루오르에탄 : CH2FCF3)로 구성되며, 그 조성은 R125가 44중량%, R143a가 52중량%, R134a가 4중량%이다. 당해 혼합냉매의 비점은 -46.48℃이다. 이 때문에, 종래 이용되고 있던 비점이 -40.8℃의 R22의 대체로서 사용 가능하게 된다.
R508은 R23(트리플루오르메탄 : CHF3)과, R116(헥사플루오르에탄 : CF3CF3)으로 구성되며, 그 조성은 R23이 39중량%, R116이 61중량%이다. 당해 혼합냉매의 비점은 -88.64℃이다.
또, R14는, 테트라플루오르메탄(4불화탄소 : CF4)이고, R50은 메탄(CH4), R740은 아르곤(Ar)이다. 이들의 비점은 R14가 -127.9℃, R50이 -161.5℃, R740이 -185.86℃이다. 또한, R50은 산소와의 결합으로 폭발을 일으킬 위험이 있지만, R14와 혼합함으로써 폭발의 위험은 없어진다. 따라서, 혼합냉매의 누설 사고가 발생했다고 해도 폭발은 발생하지 않는다.
또한, 이들 상술한 바와 같은 냉매는, 일단, R245fa와 R600 및 R14와 R50을 미리 혼합하고, 불연화 상태로 한 후, R245fa와 R600의 혼합냉매와, R404A와, R508A와, R14와 R50의 혼합냉매와, R740을 미리 혼합한 상태에서 냉매회로(252)에 봉입된다. 혹은, R245fa와 R600, 다음으로 R404A, R508A, R14와 R50, 마지막으로 R740와 비점이 높은 순서로 봉입된다. 각 냉매의 조성은, 예를 들면, R245fa와 R600의 혼합냉매가 10.3중량%, R404A가 28중량%, R508A가 29.2중량%, R14와 R50의 혼합냉매가 26.4중량%, R740이 5.1중량%인 것으로 한다.
또한, 본 실시예에서는 R404A 중에 4중량%의 n-펜탄(비공비 냉매의 총중량에 대해서 0.5 ~ 2중량%의 범위)을 첨가하여도 되는 것으로 한다.
다음으로, 저온 측 냉매회로(252)의 냉매의 순환을 설명한다. 압축기(254)로부터 토출된 고온고압의 가스상태의 혼합냉매는 냉매토출관(281)을 통하여 방열기(259) 내로 유입하고, 거기서 방열되어 혼합냉매 중의 비점이 높고, 오일상용성(相溶性)이 양호한 오일캐리어냉매로서의 n-펜탄이나 R600의 일부가 응축 액화한다.
방열기(259)를 거친 혼합냉매는 오일분리기(260) 내로 유입하고, 냉매와 혼합하고 있는 압축기(254)의 윤활오일의 대부분과 방열기(259)에서 응축 액화한 냉매의 일부(n-펜탄, R600의 일부)가 오일복귀관(287)에서 압축기(254)로 귀환된다. 이것에 의해, 캐스캐이드 열교환기(216)보다 후단의 냉매회로(252)에는 보다 순도가 높은 저비점 냉매가 흐르게 되어, 효율적으로 초저온을 얻는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 동일한 능력의 압축기(214 및 254)라도 보다 큰 용적의 피냉각대상인 저장실(8) 내를 소정의 초저온까지 냉각하는 것이 가능하게 되어, 냉동장치(R4) 전체가 대형화하지 않고 수납용량의 증대를 도모하는 것이 가능하게 된다.
여기서, 본 실시예에서는 오일분리기(260) 내로 유입되는 냉매는, 일단, 방열기(259)에서 냉각되어 있기 때문에, 캐스캐이드 열교환기(216)에 들어가는 냉매 온도를 내리는 것이 가능하게 된다. 구체적으로는, 종래에서는 캐스캐이드 열교환기(216) 내로 유입되는 냉매온도가 +65℃ 정도였던 것을 본 실시예에서는 +45℃ 정도까지 내리는 것이 가능하게 된다.
이 때문에, 캐스캐이드 열교환기(216)에서 저온 측 냉매회로(252) 내의 냉매를 냉각하기 위한 고온 측 냉매회로(212)의 압축기(214)에 가해지는 부하를 경감하는 것이 가능하게 된다. 또, 효과적으로 저온 측 냉매회로(252) 내의 냉매를 냉각하는 것이 가능하게 되기 때문에, 당해 저온 측 냉매회로(252)를 구성하는 압축기(254)에 가해지는 부하를 경감하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 냉동장치(R4) 전체의 운전 효율의 개선을 실현하는 것이 가능하게 된다.
다른 혼합냉매 자체는 캐스캐이드 열교환기(216)에서 고온 측 증발기(213)보다 -40℃ ~ -30℃ 정도로 냉각되어 혼합냉매 중의 비점이 높은 일부의 냉매(R245fa, R600, R404A, R508의 일부)를 응축 액화한다. 그리고, 캐스캐이드 열교환기(216)의 응축파이프(255)를 나온 혼합냉매는 건조기(257)를 거쳐 제1 기액분리기(261)로 유입한다. 이 시점에서는 혼합냉매 중의 R14와 R50과 R740은 비점이 지극히 낮기 때문에 아직 응축되지 않은 가스상태이며, R245fa, R600, R404A, R508의 일부만이 응축 액화되어 있기 때문에, R14와 R50과 R740은 기상배관(283)에, R245fa와 R600과 R404A와 R508A는 액상배관(284)으로 분리된다.
기상배관(283)으로 유입한 냉매 혼합물은 제1 중간 열교환기(262)와 열교환하여 응축된 후, 제2 기액분리기(265)에 도달한다. 여기서, 제1 중간 열교환기(262)에는 증발기(냉매배관)(253)로부터 귀환해 오는 저온의 냉매가 유입하며, 또한 액상배관(284)으로 유입한 액체냉매가 건조기(263)를 거쳐 캐필러리 튜브(264)에서 감압된 후, 제1 중간 열교환기(262)로 유입하여 거기서 증발함으로써, 냉각에 기여하기 때문에, 미응축의 R14, R50, R740 및 R508의 일부를 냉각하는 결과, 제1 중간 열교환기(262)의 중간온도는 -60℃ 정도로 되어 있다. 따라서, 기상배관(283)을 통과한 혼합냉매 중의 R508은 완전하게 응축 액화되며, 제2 기액분리기(265)로 분류된다. R14, R50, R740은 또한 비점이 낮기 때문에 아직 가스상태이다.
제2 중간 열교환기(266)에서는 제2 기액분리기(265)에서 분류된 R508이 건조기(267)에서 수분이 제거되어 캐필러리 튜브(268)에서 감압된 후, 제2 중간 열교환기(266)로 유입하고, 증발기(253)로부터 귀환해 오는 저온의 냉매와 함께 기상배관(285) 중의 R14, R50 및 R740을 냉각하며, 이 중에 증발온도가 가장 높은 R14를 응축시킨다. 이 결과, 제2 중간 열교환기(266)의 중간온도는 -90℃ 정도가 된다.
이 제2 중간 열교환기(226)를 통과하는 기상배관(285)은 이어서 제3 중간 열교환기(270)를 거쳐 제4 중간 열교환기(272)를 통과한다. 여기서, 제4 중간 열교환기(272)에는 증발기(253)로부터 이중관 구조체(295)를 거쳐 곧바로 냉매가 귀환되어 있고, 실험에 의하면 제4 중간 열교환기(272)의 중간온도가 -130℃ 정도가 되어 낮은 온도에 도달한다.
여기서, 캐필러리 튜브(258)에서 냉매는 당해 캐필러리 튜브(258)의 전둘레에 설치된 흡입배관(282)(배관(282A)) 내를 통과하는 냉매와, 캐필러리 튜브(258)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해서 열교환하여, 더욱 온도 저하하면서 감압되어 증발기(253)로 유입한다. 그리고, 증발기(253)에서 냉매가 주위로부터 열을 빼앗아 증발한다. 실험에 의하면, 이 때, 증발기(253)의 주위의 온도는 -160.3℃ ~ -157.3℃라는 초저온이 되었다.
이와 같이, 저온 측 냉매회로(252)에서의 각 냉매의 증발온도의 차를 이용하여 각 중간 열교환기(262, 266, 270, 272)에서 아직 기상상태인 냉매를 차례차례 응축시키고, 최종단계의 증발기(253)에서 -150℃ 이하라는 초저온을 달성할 수 있다. 이 때문에, 당해 증발기(253)가 내부케이스(4)의 단열재(7) 측을 따라 교열적으로 감아 돌려 구성됨으로써, 저장실(8) 내는 -152℃ 이하의 저장고 내 온도를 실현하는 것이 가능하게 된다.
증발기(253)에서 증발한 냉매는, 그 후, 흡입배관(282)을 통하여 증발기(253)로부터 나와, 상술한 이중관 구조체(295), 제4 중간 열교환기(272), 제3 중간 열교환기(270), 제2 중간 열교환기(266), 제1 중간 열교환기(262)로 차례차례 유입하며, 각 열교환기에서 증발한 냉매와 합류하여 압축기(254)로 귀환한다.
압축기(254)로부터 냉매에 혼입하여 토출되는 오일은 대부분이 오일분리기(260)에 의해서 분리되어 압축기(254)로 되돌려지고 있지만, 미스트상태가 되어 냉매와 함께 오일분리기(260)로부터 토출되어 버린 것은 오일과의 상용성이 높은 R600에 용입한 상태에서 압축기(254)로 되돌려진다. 이것에 의해, 압축기(254)의 윤활 불량이나 로크를 방지할 수 있다. 또, R600은 액체상태인 채로 압축기(254)로 귀환하여 이 압축기(254) 내에서 증발되므로, 압축기(254)의 토출온도를 저감할 수 있다.
또한, 저온 측 냉매회로(252)를 구성하는 압축기(254)는 저장실(8) 내의 저장고 내 온도에 근거하여, 도시하지 않은 제어장치에 의해서, ON-OFF제어가 행해진다. 이 경우, 제어장치에 의해서 압축기(254)의 운전이 정지되면, 저온 측 냉매회로(252) 내의 혼합냉매는 팽창탱크(288) 방향을 순방향으로 하는 역지밸브(290)를 통하여 팽창탱크(288) 내로 회수된다.
이 때문에, 압축기(254)의 정지시에서 캐필러리 튜브(289)를 통하여 팽창탱크(288) 내에 냉매가 회수되는 경우에 비하여, 현저하고 신속히 역지밸브(290)를 통하여 냉매회로(252) 중의 냉매를 팽창탱크(288) 내로 회수하는 것이 가능하게 된다.
이것에 의해, 냉매회로(252) 내의 압력이 상승하는 것을 방지할 수 있고, 제어장치에 의해서 압축기(254)가 기동되었을 때에는 캐필러리 튜브(289)를 통하여 서서히 팽창탱크(288)로부터 냉매회로(252) 중에 냉매를 되돌림으로써, 압축기(254)의 기동부하를 경감하는 것이 가능하게 된다.
따라서, 압축기(254)의 정지시에서의 냉매의 팽창탱크(288)에의 회수를 신속히 행함으로써, 냉매회로(252) 내의 압력을 신속히 평형으로 하는 것이 가능하게 되며, 압축기(254)의 재기동시에 압축기(254)에 부하가 걸리지 않고, 원활히 압축기(254)의 재기동을 실행할 수 있다. 이것에 의해, 압축기동시에서의 냉매회로(252) 내가 평형압이 되기까지 필요로 하는 시간을 현저하게 단축함으로써, 압축기(254)의 운전 효율을 향상할 수 있으며, 예를 들면 풀다운 운전에 필요로 하는 시간을 단축할 수 있어 편리성의 향상을 도모할 수 있다.
이상 상세히 설명한 본 발명과 같이, 증발기(253)로부터 압축기(254)로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관(282)(배관(282A)) 내에 캐필러리 튜브(268)를 삽입통과시켜 이중관 구조로 함으로써, 배관(282A) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(268) 내의 냉매와의 열교환 효율을 향상시켜 성능의 개선을 도모할 수 있다. 특히, 캐필러리 튜브(268)를 본 발명과 같이 증발기(253)로부터 나온 직후의 흡입배관(282)의 배관(282A) 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 하여, 캐필러리 튜브(258)의 전둘레의 벽면을 전달하는 열전도에 의해 열교환 가능하게 구성함으로써, 증발기(253)로부터의 귀환냉매에 의해, 가장 비점이 낮은 냉매가 효율적으로 냉각되게 되어, 성능의 현저한 향상을 도모할 수 있다. 따라서, 본 실시예와 같은 초저온 저장고(1)에서는 특히 유효하다.
또한, 캐필러리 튜브(258)가 삽입통과되어 이중관 구조로 이루어진 배관(282A)을 단열재(297)에서 둘러쌈으로써, 열교환 효율을 한층 더 개선할 수 있게 된다. 더욱이 또, 캐필러리 튜브(258) 내의 냉매의 흐름과, 당해 캐필러리 튜브(258)의 외측의 흡입배관(282A) 내를 통과하는 냉매의 흐름을 대향류로 함으로써, 한층 더 열교환 능력의 개선을 도모할 수 있다.
전체적으로, 본 발명에 의해서 효율적으로 저장실(8) 내를 소망의 초저온까지 냉각 가능하게 하는 초저온 저장고(1)를 실현할 수 있다. 특히, 본 발명에 의하면, 종래와 동일한 사용의 냉동장치에 비해 15% ~ 20% 정도의 에너지 절약을 도모할 수 있게 된다. 또, 증발기(253)의 주위의 온도도 종래보다 저온으로 하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 종래의 압축기보다 능력이 작은 압축기로 변경한 경우라도 충분한 성능을 확보하는 것이 가능하게 된다. 이것에 의해, 소비전력량을 한층 더 저감할 수 있거나, 장치의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 저온 측 냉매회로(252)의 최종단계의 캐필러리 튜브(258)만을 본 발명의 이중관 구조로 했지만, 이것에 한정하지 않고, 고온 측 냉매회로(212)의 캐필러리 튜브(218)도 마찬가지로 고온 측 냉매회로(212)의 증발기(213)로부터 압축기(214)로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관(232)의 일부 배관 내에 삽입통과시켜 이중관 구조로 해도 본 발명은 유효하다. 이 경우에는, 고온 측 냉매회로(212)에서도 흡입배관(232) 내의 냉매와 캐필러리 튜브(218) 중의 냉매와의 열교환 능력을 향상시킬 수 있게 된다. 이것에 의해, 냉동장치(R4)의 성능을 한층 더 개선할 수 있게 된다.
또, 본 실시예에서는 냉동장치를 구성하는 냉매회로를 각각 압축기(214 또는 254)로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 감압하여, 증발기(213 또는 253)로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 독립한 냉매 폐회로를 구성하는 고온 측 냉매회로(212)와, 저온 측 냉매회로(252)로 구성하고, 저온 측 냉매회로(252)는 압축기(254), 응축파이프(255), 증발기(253), 이 증발기(253)로부터의 귀환냉매가 유통하도록 직렬 접속된 복수의, 구체적으로는, 4개의 중간 열교환기(262, 266, 270, 272)와 복수의, 구체적으로는, 3개의 캐필러리 튜브(264, 268, 258)를 가지고, 복수 종의 비공비 혼합냉매가 봉입되며, 응축파이프(255)를 거친 냉매 중의 응축냉매를 각 캐필러리 튜브를 통하여 각 중간 열교환기에 합류시키고, 각 중간 열교환기에서 냉매 중의 미응축냉매를 냉각함으로써, 차례차례 보다 낮은 비점의 냉매를 응축시켜, 최종단계의 캐필러리 튜브(258)를 통하여 최저 비점의 냉매를 증발기(253)로 증발시켜 냉각작용을 발휘시킴과 아울러, 고온 측 냉매회로(212)의 증발기(213)와 저온 측 냉매회로(252)의 응축파이프(255)에서 캐스캐이드 열교환기(216)를 구성하고, 저온 측 냉매회로(252)의 증발기(253)에서 초저온을 얻는 2원 다단방식의 냉동장치(R4)로서 설명하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니며, 다원다단방식의 냉동장치라도 되는 것으로 한다. 또, 기액분리기 및 중간 열교환기가 1개의 2원 단단방식의 냉동장치라도 본 발명은 유효하다.
R 냉동장치 1 초저온 저장고
2 단열케이스 7 단열재
8 저장실 9 단열문
12 냉매회로 13 증발기(이배포레이터)
14 압축기(콤프레셔) 15 응축기(콘덴서)
16 열교환기(캐스캐이드 콘덴서) 18 캐필러리 튜브
21 보조응축기(프리콘덴서) 22 프레임파이프
23 응축파이프 25 이중관 구조체
31 냉매토출관 32 흡입배관
32A 배관(흡입배관의 일부를 구성함) 35 단열재

Claims (7)

  1. 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브(capillary tube)에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에 있어서,
    상기 증발기로부터 상기 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 상기 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관(二重管) 구조로 한 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  2. 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 독립한 냉매 폐(閉)회로를 구성하는 고온 측 냉매회로와 저온 측 냉매회로를 구비하고, 상기 고온 측 냉매회로의 증발기와 상기 저온 측 냉매회로의 응축기로 캐스캐이드(cascade) 열교환기가 구성되며, 상기 저온 측 냉매회로의 증발기에서 최종적인 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에 있어서,
    상기 저온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 상기 저온 측 냉매회로의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 한 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  3. 압축기, 응축기, 증발기, 이 증발기로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 단일 혹은 복수의 중간 열교환기 및 복수의 캐필러리 튜브를 구비하고, 복수 종의 비공비(非共沸) 혼합냉매가 봉입(封入)되며, 상기 응축기를 거친 냉매 중의 응축냉매를 상기 캐필러리 튜브를 통하여 상기 중간 열교환기에 합류시키고, 이 중간 열교환기에서 상기 냉매 중의 미응축냉매를 냉각함으로써, 보다 낮은 비점(沸點)의 냉매를 응축시키고, 최종단계의 상기 캐필러리 튜브를 통하여 최저 비점의 냉매를 상기 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에 있어서,
    상기 증발기로부터 상기 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 상기 최종단계의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 한 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  4. 각각 압축기로부터 토출된 냉매를 응축한 후, 캐필러리 튜브에서 감압하고, 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘하는 독립한 냉매개회로를 구성하는 고온 측 냉매회로와 저온 측 냉매회로를 구비하고, 이 저온 측 냉매회로는 상기 압축기, 응축기, 상기 증발기, 이 증발기로부터의 귀환냉매가 유통하도록 접속된 단일 혹은 복수의 중간 열교환기 및 복수의 캐필러리 튜브를 가지며, 복수 종의 비공비 혼합냉매가 봉입되고, 상기 응축기를 거친 냉매 중의 응축냉매를 상기 캐필러리 튜브를 통하여 상기 중간 열교환기에 합류시키고, 이 중간 열교환기에서 상기 냉매 중의 미응축냉매를 냉각함으로써, 보다 낮은 비점의 냉매를 응축시키며, 최종단계의 상기 캐필러리 튜브를 통하여 최저 비점의 냉매를 상기 증발기로 증발시켜 냉각작용을 발휘함과 아울러, 상기 고온 측 냉매회로의 증발기와 상기 저온 측 냉매회로의 응축기로 캐스캐이드 열교환기가 구성되고, 상기 저온 측 냉매회로의 증발기에서 최종적인 냉각작용을 발휘하는 냉동장치에 있어서,
    상기 저온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 상기 저온 측 냉매회로의 최종단계의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 한 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  5. 청구항 2 또는 4에 있어서,
    상기 고온 측 냉매회로의 증발기로부터 압축기로 귀환하는 냉매가 통과하는 흡입배관 내에 상기 고온 측 냉매회로의 캐필러리 튜브를 삽입통과시켜 이중관 구조로 한 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐필러리 튜브가 삽입통과되어 이중관 구조로 이루어진 흡입배관을 단열재로 둘러싼 것을 특징으로 하는 냉동장치.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐필러리 튜브 내의 냉매의 흐름과, 당해 캐필러리 튜브의 외측의 상기 흡입배관 내를 통과하는 냉매의 흐름을 대향류로 한 것을 특징으로 하는 냉동장치.
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