JP2007303794A

JP2007303794A - 冷凍装置

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Publication number: JP2007303794A
Application number: JP2006135300A
Authority: JP
Inventors: 勝治 ▲たか▼杉; Katsuji Takasugi
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-05-15
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2007-11-22
Also published as: CN101443602B; US20100147017A1; EP2019271A4; KR20090014274A; WO2007132805A1; CN101443602A; KR101364317B1; EP2019271A1

Abstract

【課題】圧縮機への負荷を軽減することができると共に、運転効率の向上を図ることができる冷凍装置を提供する。
【解決手段】本発明は、高温側冷媒回路２５の蒸発器３４と低温側冷媒回路３８の凝縮パイプ４２とでカスケード熱交換器４３を構成し、低温側冷媒回路３８の蒸発パイプ６２にて超低温を得る所謂二元多段方式の冷凍装置１において、低温側冷媒回路３８の圧縮機２０の吐出側に設けられ、非共沸混合冷媒中のオイルを分離して圧縮機２０に戻すためのオイル分離器４０を備え、該オイル分離器４０と圧縮機２０間に放熱器３９を介設した。
【選択図】図６

Description

本発明は、独立した二系統の冷媒回路を構成し、高温側冷媒回路の蒸発器と低温側冷媒回路の凝縮器とで熱交換器を構成する所謂二元冷凍方式の冷凍装置に関するものである。

従来より、例えば細胞や微生物などを保管するというバイオ分野において用いられる超低温の冷凍装置は、二元冷凍装置が用いられている。図７は、二元冷凍装置を用いた冷凍装置１３５の冷媒回路図を示している。冷媒回路１００は、高温側冷凍サイクル１０１と、低温側冷凍サイクル１０２とから構成されている。高温側冷凍サイクル１０１を構成する圧縮機１０３の吐出側配管１０３Ｄは補助凝縮器１０５に接続され、補助凝縮器１０５はフレームパイプ１０４に接続された後、圧縮機１０３のオイルクーラー１０６を介して凝縮器１０７に接続される。凝縮器１０７は、凝縮器用送風機１１６により冷却される。そして、凝縮器１０７の出口側冷媒配管は、乾燥器１０８及び減圧器１０９を順次介して蒸発器を構成する蒸発器部分としての蒸発器１１０に接続される。蒸発器１１０の出口側冷媒配管には、アキュームレータ１１１が接続され、当該アキュームレータ１１１を出た冷媒配管は、圧縮機１０３の吸入側配管１０３Ｓに接続される。

他方、低温側冷凍サイクル１０２を構成する圧縮機１１３の吐出側配管１１３Ｄには、オイル分離器１１４が接続され、このオイル分離器１１４の出口側に接続された冷媒配管は、前記蒸発器１１０内に挿入された高温側配管としての凝縮パイプ１１５に接続される。この凝縮パイプ１１５は、蒸発器１１０と共に、カスケード熱交換器１３０を構成している。

そして、凝縮パイプ１１５の出口側に接続される吐出配管は、乾燥器１３１を介して第１の気液分離器１１６に接続され、当該気液分離器１１６によって、分離された気相冷媒は、気相配管を介して第１の中間熱交換器１１７内を通過し、第２の気液分離器１１８に流入する。気液分離器１１６にて分離された液相冷媒は、液相配管を介して乾燥器１１９、減圧器１２０を経て第１の中間熱交換器１１７に流入して気相冷媒を蒸発することで冷却している。

第２の気液分離器１１８により分離された液相冷媒は、液相配管により乾燥器１２１を経た後減圧器１２２を経て第２の中間熱交換器１２３に流入する。第２の気液分離器１１８により分離された気相冷媒は、気相配管を介して第２の中間熱交換器１２３内を通過し、第３の中間熱交換器１２４内を通過し、更に乾燥器１２５を経て減圧器１２６に流入する。減圧器１２６は、冷凍装置の断熱箱体１３２の貯蔵室側の内壁に交熱的に配設される蒸発器としての蒸発パイプ１２７に接続され、更に蒸発パイプ１２７は第３の中間熱交換器１２４に接続される。

第３の中間熱交換器１２４は第２及び第１の中間熱交換器に次々に接続された後、圧縮機１１３の吸入側配管１１３Ｓに接続される。この吸入側配管１１３Ｓには更に圧縮機１１３の停止時に冷媒を貯溜する膨張タンク１２８が減圧器１２９を介して接続されている。

このような冷凍装置１３５では、特に低温側冷凍サイクル１０２に沸点の異なる複数種の混合冷媒を用いることで、低温側冷凍サイクル１０２の蒸発パイプ１２７は、−１５０℃以下の超低温を得ることが可能となる。
特許第３２０８１５１号公報

しかしながら、上述した如き構成の冷凍装置では、同一の能力の圧縮機を用いてより大きな容積の貯蔵室内を約−１５０℃程度の超低温に冷却する場合には、圧縮機に加わる負荷が増大する問題がある。そのため、貯蔵室の容量に応じた圧縮機を選択する必要がある。しかし、より大きな貯蔵室を冷却するには、より能力の大きい圧縮機を選択しなければ成らず、係る場合には、装置の大型化、コストの高騰を伴う問題があった。また、使用する圧縮機の能力が大きくなるに従い、消費電力量の増加を伴うことから、より効率的に貯蔵室内を−１５０℃以下の超低温にまで冷却可能とする冷凍装置の開発が望まれていた。

そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するためになされたものであり、圧縮機への負荷を軽減することができると共に、運転効率の向上を図ることができる冷凍装置を提供する。

本発明の冷凍装置は、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冷媒閉回路を構成する高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とを備え、該低温側冷媒回路は、圧縮機、凝縮器、蒸発器、該蒸発器からの帰還冷媒が流通するように直列接続された複数の中間熱交換器及び複数の減圧装置を有し、複数種の非共沸混合冷媒が封入され、凝縮器を経た冷媒中の凝縮冷媒を減圧装置を介して中間熱交換器に合流させ、該中間熱交換器で冷媒中の未凝縮冷媒を冷却することにより、順次より低い沸点の冷媒を凝縮させ、最終段の減圧装置を介して最低沸点の冷媒を蒸発器に流入させると共に、高温側冷媒回路の蒸発器と低温側冷媒回路の凝縮器とでカスケード熱交換器を構成し、低温側冷媒回路の蒸発器にて超低温を得るものであって、低温側冷媒回路の圧縮機の吐出側に設けられ、非共沸混合冷媒中のオイルを分離して圧縮機に戻すためのオイル分離器を備え、該オイル分離器と圧縮機間に放熱器を介設したことを特徴とする。

請求項２の発明の冷凍装置は、上記発明において、非共沸混合冷媒には、少なくとも他の冷媒に比してオイルとの相溶性が良好であり、且つ、沸点が高い冷媒が含まれることを特徴とする。

本発明によれば、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冷媒閉回路を構成する高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とを備え、該低温側冷媒回路は、圧縮機、凝縮器、蒸発器、該蒸発器からの帰還冷媒が流通するように直列接続された複数の中間熱交換器及び複数の減圧装置を有し、複数種の非共沸混合冷媒が封入され、凝縮器を経た冷媒中の凝縮冷媒を減圧装置を介して中間熱交換器に合流させ、該中間熱交換器で冷媒中の未凝縮冷媒を冷却することにより、順次より低い沸点の冷媒を凝縮させ、最終段の減圧装置を介して最低沸点の冷媒を蒸発器に流入させると共に、高温側冷媒回路の蒸発器と低温側冷媒回路の凝縮器とでカスケード熱交換器を構成し、低温側冷媒回路の蒸発器にて超低温を得る冷凍装置において、低温側冷媒回路の圧縮機の吐出側に設けられ、非共沸混合冷媒中のオイルを分離して圧縮機に戻すためのオイル分離器を備え、該オイル分離器と圧縮機間に放熱器を介設したことにより、低温側冷媒回路における各冷媒の蒸発温度の差を利用して複数の熱交換器でまだ気相状態にある冷媒を次々に凝縮させ、最終段の蒸発器において−１５０℃という超低温を達成することができる。

特に、低温側冷媒回路の圧縮機の吐出側には、オイル分離器との間に放熱器が介設されていることから、当該放熱器によって低温側冷媒回路のカスケード熱交換器に入る冷媒温度を下げることが可能となる。これによって、両冷媒回路の圧縮機の負荷を軽減することが可能となり、運転効率の改善を実現することが可能となる。

また、請求項２の発明によれば、上記発明において、非共沸混合冷媒には、少なくとも他の冷媒に比してオイルとの相溶性が良好であり、且つ、沸点が高い冷媒が含まれることにより、非共沸混合冷媒に混合されるオイルキャリア冷媒が放熱器で液化することで、オイルと共にオイル分離器から圧縮機に帰還されるので、より純度の高い低沸点冷媒がカスケード熱交換器より後段の回路に流れるようになり、より一層効率的に超低温が得られるようになる。

これにより、同一の能力の圧縮機であっても、より大きな容積の被冷却対象である貯蔵室内を所定の超低温にまで冷却することが可能となり、装置全体が大型化することなく収納容量の増大を図ることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用した冷凍装置１の斜視図、図２は冷凍装置１の正面図、図３は冷凍装置１の平面図、図４は冷凍装置１の貯蔵室４内を透視した状態の側面図、図５は天面パネル５を開放した状態の冷凍装置１の斜視図を示している。本実施例の冷凍装置１は、例えば長期低温保存を行う生体組織や検体などの超低温保存に好適なものであり、上面に開口する断熱箱体２と、当該断熱箱体２の側方に位置して内部に圧縮機１０等が設置される機械室３とにより本体が構成されている。

この断熱箱体２は、いずれも上面を開放した鋼板製の外箱６と熱伝導性の良いアルミニウム等の金属製の内箱７と、これら両箱６、７の上端間を接続する合成樹脂製のブレーカ８と、これら外箱６、内箱７及びブレーカ８にて囲繞された空間内を現場発泡方式にて充填されたポリウレタン樹脂製の断熱材９とから構成されており、内箱７内を上面が開口した貯蔵室４としている。

本実施例では、目標とする貯蔵室４内温度（以下、庫内温度と称する。）を例えば−１５０℃以下とするため、貯蔵室４内と外気とを区画する断熱箱体２は、庫内温度を０℃付近に設定する低温に比して大きな断熱能力が必要とされる。そのため、上述したようなポリウレタン樹脂製の断熱材９のみにより当該断熱能力を確保するためには、極めて厚く形成しなければならず、限られた本体寸法では、貯蔵室４内の収納量を十分に確保することができないという問題がある。

そのため、本実施例における断熱箱体２は、外箱６の前壁６Ａ、後壁６Ｂ及び機械室３が設けられる側とは反対側に位置する側壁６Ｃの各内壁面にグラスウール製の真空断熱パネル１２が配置され、一旦両面粘着テープにて仮に固定した後、これら両箱６、７との間に断熱材９を現場発泡方式にて充填する。

この真空断熱パネル１２は、通気性を有しないアルミニウムや合成樹脂等から成る多層フィルムにより構成される容器に断熱性を有するグラスウールを収納する。その後、所定の真空排気手段により容器内の空気を排出して、当該容器の開口部を熱溶着により接合することにより構成されるものである。そのため、この真空断熱パネル１２は当該断熱性能により、従来よりも断熱材９の厚さ寸法を薄くしながら、同一の断熱効果を得ることができる。

他方、内箱７の断熱材９側の周面には、詳細は後述する冷却装置Ｒの冷媒回路を構成する蒸発器（蒸発パイプ）６２が交熱的に取り付けられる。

そして、上述の如く構成される断熱箱体２のブレーカ８の上面は、図２や図４に示されるように階段状に成形されており、そこに図示しないパッキンを介して断熱扉１３が一端、本実施例では、後端を中心に枢支部材１４、１４により回動自在に設けられる。また、当該貯蔵室４の上面開口は、断熱材料にて構成される内蓋１５が開閉自在に設けられている。また、断熱扉１３の下面には、下方に突出して構成される押さえ部が形成されており、これにより、断熱扉１３の押さえ部が内蓋１５を押圧し、これにより、貯蔵室４の上面開口は開閉自在に閉塞される。また、断熱扉１３の他端、本実施例では前端には、把手部１６が設けられており、当該把手部１６を操作することで、断熱扉１３が開閉操作される。

他方、断熱箱体２の側方には、前面パネル３Ａ、図示しない後面パネル及び断熱箱体２が設けられる側とは反対側の側面を構成する側面パネル３Ｂにより機械室３が設けられている。本実施例における機械室３は、内部を上下に区画する仕切板１７が設けられている。仕切板１７の下方には、上述した如き冷却装置Ｒを構成する圧縮機１０、２０等が収容設置されており、当該仕切板１７下方に位置する前面パネル３Ａ及び側面パネル３Ｂには、通気用スリット３Ｃが形成されている。

仕切板１７の上方には、上面が開口する上部機械室１８とされている。当該上部機械室１８の上面開口には、天面パネル５が一端、本実施例では、後端を中心に回動自在に設けられており、これにより、上部機械室１８内は開閉自在に閉塞される。尚、上部機械室１８の前面に位置して設けられるパネルは、当該冷凍装置１を操作するための操作パネル２１である。

この上部機械室１８を構成する断熱箱体２側の側面には、測定孔１９が形成されている。この測定孔１９は、隣接して設けられる断熱箱体２内に形成される貯蔵室４と連通するように、断熱箱体２を構成する外箱６、断熱材９及び内箱７を貫通して形成される。測定孔１９は、外部から貯蔵室４内に温度センサを挿入することが可能であり、当該温度センサから引き出される配線は、測定孔１９を介して外部の記録装置本体に接続されている。そして、この測定孔１９は、配線との隙間をスポンジ状の変形可能、且つ、断熱性を有する特殊材料にて構成される栓１９Ａによって閉塞される。尚、温度センサが取り付けられていない状態では、測定孔１９は、当該栓１９Ａによって、断熱的に閉塞される。

これにより、貯蔵室４内の温度等を測定、記録等を行う機器を用いる際には、機械室３に設けられる天面パネル５を開放し、上部機械室１８内に位置する断熱箱体２側の側面に形成される測定孔１９を介して当該測定機器を貯蔵室４内に挿入することが可能となる。そのため、測定機器を所定の超低温にまで冷却された貯蔵室４内に設置する作業が容易となる。

特に、本実施例における測定孔１９は、従来の冷凍装置に設けられる測定孔と異なり、断熱箱体２の機械室１８側の側面に形成されているため、当該冷凍装置１を実験室などの設置環境の壁や他の機器に隣接して設置する場合であっても、格別に測定孔１９を使用するために必要な間隔を存する必要がなくなる。これにより、冷凍装置１の設置に要するための面積の狭小化を図ることが可能となり、実験室などのレイアウトを行う上で好適なものとなる。

また、測定孔１９が機械室３と隣接する側の断熱箱体２の壁面に形成されていることで、機械室３と隣接する以外の側面、即ち、外部に面して構成される断熱箱体２の前後壁及び側面に、測定孔１９の形成位置に影響を及ぼすことなく、上述したような真空断熱パネル１２を配設することが可能となる。これにより、貯蔵室４内の冷熱の漏洩量を低減させることができ、無駄な冷却エネルギーの浪費を抑制することが可能となる。

そのため、貯蔵室４内を本実施例の如く例えば−１５０℃以下のような超低温とした場合であっても、断熱箱体２自体の断熱性能を向上させることが可能となり、断熱壁の寸法の縮小を図ることができ、従来と同様の外形寸法であっても、貯蔵室４内の収容容積の拡大を図ることが可能となる。若しくは、従来と同様の収納容積であっても、外形寸法を縮小することが可能となり、これによっても、冷凍装置１の設置に要するための面積の狭小化を図ることが可能となる。

更にまた、本実施例における測定孔１９は、上部機械室１８の上面開口を開閉可能な天面パネル５にて隠蔽可能とされることから、外観に測定孔１９が露出しない構成とすることができ、外観の向上を図ることが可能となる。また、天面パネル５を開放することで、容易に測定孔１９への操作を行うことが可能となり、作業性の向上を図ることができる。また、仕切板１７を取り外すことで、仕切板１７下方に設置される他の冷却装置Ｒを構成する機器への操作も容易となり、メンテナンス作業の向上を図ることが可能となる。当該天面パネル５は、測定孔１９への操作を行う場合以外には、機械室１８内を閉塞した状態とすることで、当該天面パネル５を作業用の側台としても用いることが可能となり、貯蔵室４内へのサンプル等の物品の納出作業等に好適なものとなる。

尚、本実施例では、測定孔１９は、上部機械室１８の上面開口を閉塞する天面パネル５にて隠蔽しているが、これ以外に限定されるものではなく、測定孔１９近傍に、当該測定孔１９を隠蔽するための蓋部材などを設けても良いものとする。

次に、図６を参照して本実施例の冷凍装置１の冷媒回路について説明する。本実施例における冷凍装置１の冷媒回路は、多元多段の冷媒回路として、それぞれ独立した第１の冷媒回路としての高温側冷媒回路２５と、第２の冷媒回路としての低温側冷媒回路３８の二元二段の冷媒回路により構成されている。

高温側冷媒回路２５を構成する圧縮機１０は、一相若しくは三相交流電源を用いる電動圧縮機であり、当該圧縮機１０の吐出側配管１０Ｄは、補助凝縮器２６に接続される。この補助凝縮器２６は貯蔵室４開口縁を加熱して露付きを防止するためのフレームパイプ２７に接続される。また、このフレームパイプ２７は、圧縮機１０のオイルクーラー２９に接続された後、凝縮器２８に接続される。そして、凝縮器２８を出た冷媒配管は、低温側冷媒回路３８を構成する圧縮機２０のオイルクーラー３０に接続された後、凝縮器３１に接続され、当該凝縮器３１を出た冷媒配管は、乾燥器３２及び減圧装置としてのキャピラリーチューブ３３を順次介して蒸発器を構成する蒸発器部分としての蒸発器３４に接続される。蒸発器３４の出口側冷媒配管には、冷媒液溜としてのアキュムレータ３５が接続され、当該アキュムレータ３５を出た冷媒配管は、圧縮機１０の吸入側配管１０Ｓに接続される。尚、本実施例における補助凝縮器２６と凝縮器２８及び３１は、一体の凝縮器として構成されており、凝縮器用送風機３６により冷却される。

高温側冷媒回路２５には沸点の異なる非共沸冷媒として、Ｒ４０７Ｄとｎ−ペンタンとから成る冷媒が充填される。Ｒ４０７Ｄは、Ｒ３２（ジフルオロメタン：ＣＨ₂Ｆ₂）と、Ｒ１２５（ペンタフルオロエタン：ＣＨＦ₂ＣＦ₃）と、Ｒ１３４ａ（１，１，１，２−テトラフルオロエタン：ＣＨ₂ＦＣＦ₃）とから構成され、その組成は、Ｒ３２が１５重量％、Ｒ１２５が１５重量％、Ｒ１３４ａが７０重量％である。各冷媒の沸点は、Ｒ３２が−５１．８℃、Ｒ１２５が−４８．５７℃、Ｒ１３４ａが−２６．１６℃である。また、ｎ−ペンタンの沸点は、＋３６．１℃である。

圧縮機１０から吐出された高温ガス状冷媒は、補助凝縮器２６、フレームパイプ２７、オイルクーラー２９、凝縮器２８、低温側冷媒回路３８の圧縮機２０のオイルクーラー３０、凝縮器３１にて凝縮されて放熱液化した後、乾燥器３２で含有する水分が除去され、キャピラリーチューブ３３にて減圧されて蒸発器３４に次々に流入して冷媒Ｒ３２、Ｒ１２５及びＲ１３４ａが蒸発し、気化熱を周囲から吸収して蒸発器３４を冷却し、冷媒液溜めとしてのアキュムレータ３５を経て圧縮機１０に帰還する。

このとき、圧縮機１０の能力は例えば１．５ＨＰであり、運転中の蒸発器３４の最終到達温度は−２７℃乃至−３５℃になる。かかる低温下では冷媒中のｎ−ペンタンは沸点が＋３６．１℃であるので蒸発器３４では蒸発せず液状態のままであり、従って冷却には殆ど寄与しないが、圧縮機１０の潤滑油や乾燥器３２で吸収しきれなかった混入水分をその中に溶け込ませた状態で圧縮機１０に帰還せしめる機能と、その液冷媒の圧縮機１０内での蒸発により、圧縮機１０の温度を低減させる機能を奏する。

他方、低温側冷媒回路３８は、圧縮機２０は、前記圧縮機１０と同様に一相若しくは三相交流電源を用いる電動圧縮機であり、当該圧縮機２０の吐出側配管２０Ｄには、ワイヤコンデンサにて構成される放熱器３９を介してオイル分離器４０が接続される。このオイル分離器４０は、圧縮機２０に戻るオイル戻し管４１が接続される。オイル分離器４０の出口側に接続された冷媒配管は、前記蒸発器３４内に挿入された高圧側配管としての凝縮パイプ４２に接続される。この凝縮パイプ４２は、蒸発器３４と共に、カスケード熱交換器４３を構成している。

そして、凝縮パイプ４２の出口側に接続される吐出配管は乾燥器４４を介して第１の気液分離器４６に接続される。気液分離器４６により分離された気相冷媒は、気相配管４７を介して第１の中間熱交換器４８内を通過し、第２の気液分離器４９に流入する。第１の気液分離器４６により分離された液相冷媒は、液相配管５０を介して乾燥器５１、減圧装置としてのキャピラリーチューブ５２を経て第１の中間熱交換器４８に流入する。

第２の気液分離器４９により分離された液相冷媒は、液相配管５３により、乾燥器５４を経た後減圧装置としてのキャピラリーチューブ５５を経て第２の中間熱交換器５６に流入する。第２の気液分離器５４により分離された気相冷媒は、気相配管５７を介して、第２の中間熱交換器５６内を通過し、第３、第４の中間熱交換器５８、５９内を通過する間に冷却されて液化し、配管６８を介して乾燥器６０を経て減圧装置としてのキャピラリーチューブ６１に流入する。キャピラリーチューブ６１は、蒸発器としての蒸発パイプ６２に接続され、更に蒸発パイプ６２は戻り配管６９を介して第４の中間熱交換器５９に接続される。

第４の中間熱交換器５９は第３、第２及び第１の中間熱交換器５８、５６、４８に次々に接続された後、圧縮機２０の吸入側配管２０Ｓに接続される。吸入側配管２０Ｓには更に圧縮機２０停止時に冷媒を貯溜する膨張タンク６５が減圧装置としてのキャピラリーチューブ６６を介して接続されており、当該キャピラリーチューブ６６には、膨張タンク６５の方向を順方向とした逆止弁６７が並列に接続されている。

低温側冷媒回路３８には沸点の異なる７種類の混合冷媒として、Ｒ２４５ｆａと、Ｒ６００と、Ｒ４０４Ａと、Ｒ５０８と、Ｒ１４と、Ｒ５０、Ｒ７４０とを含む非共沸混合冷媒が封入される。Ｒ２４５ｆａは、１，１，１，−３，３−ペンタフルオロプロパン（ＣＦ₃ＣＨ₂ＣＨＦ₂ ）であり、Ｒ６００はブタン（ＣＨ₃ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₃）である。Ｒ２４５ｆａの沸点は、＋１５．３℃、Ｒ６００の沸点は、−０．５℃である。そのため、これらを所定割合で混合することで、従来用いられていた沸点が＋８．９℃のＲ２１の代替として使用可能となる。

尚、Ｒ６００は、可燃性物質であるため、不燃性であるＲ２４５ｆａと所定割合、本実施例ではＲ２４５ｆａ／Ｒ６００：７０／３０の割合で混合することにより、不燃性として冷媒回路３８に封入するものとする。尚、本実施例では、Ｒ２４５ｆａとＲ６００を合わせた総重量に対してＲ２４５ｆａを７０重量％としているが、それ以上であれば不燃性となるため、それ以上であっても良いものとする。

Ｒ４０４Ａは、Ｒ１２５（ペンタフルオロエタン：ＣＨＦ₂ＣＦ₃）と、Ｒ１４３ａ（１，１，１−トリフルオロエタン：ＣＨ₃ＣＦ₃）と、Ｒ１３４ａ（１，１，１，２−テトラフルオロエタン：ＣＨ₂ＦＣＦ₃）とから構成され、その組成は、Ｒ１２５が４４重量％、Ｒ１４３ａが５２重量％、Ｒ１３４ａが４重量％である。当該混合冷媒の沸点は、−４６．４８℃である。そのため、従来用いられていた沸点が−４０．８℃のＲ２２の代替として使用可能となる。

Ｒ５０８は、Ｒ２３（トリフルオロメタン：ＣＨＦ₃）と、Ｒ１１６（ヘキサフルオロエタン：ＣＦ₃ＣＦ₃）とから構成され、その組成は、Ｒ２３が３９重量％、Ｒ１１６が６１重量％である。当該混合冷媒の沸点は、−８８．６４℃である。

また、Ｒ１４は、テトラフルオロメタン（四弗化炭素：ＣＦ₄）であり、Ｒ５０は、メタン（ＣＨ₄）、Ｒ７４０は、アルゴン（Ａｒ）である。これらの沸点は、Ｒ１４が−１２７．９℃、Ｒ５０が−１６１．５℃、Ｒ７４０が−１８５．８６℃である。尚、Ｒ５０は酸素との結合にて爆発を生じる危険があるが、Ｒ１４と混合することによって爆発の危険は無くなる。従って、混合冷媒の漏洩事故が発生したとしても爆発は発生しない。

尚、これら上述した如き冷媒は、一旦、Ｒ２４５ｆａとＲ６００、及び、Ｒ１４とＲ５０を予め混合し、不燃化状態とした後、Ｒ２４５ｆａとＲ６００の混合冷媒と、Ｒ４０４Ａと、Ｒ５０８Ａと、Ｒ１４とＲ５０の混合冷媒と、Ｒ７４０とを予め混合した状態で、冷媒回路に封入される。若しくは、Ｒ２４５ｆａとＲ６００、次にＲ４０４Ａ、Ｒ５０８０Ａ、Ｒ１４とＲ５０、最後にＲ７４０と沸点の高い順に封入される。各冷媒の組成は、例えば、Ｒ２４５ｆａとＲ６００の混合冷媒が１０．３重量％、Ｒ４０４Ａが２８重量％、Ｒ５０８Ａが２９．２重量％、Ｒ１４とＲ５０の混合冷媒が２６．４重量％、Ｒ７４０が５．１重量％であるものとする。

尚、本実施例では、Ｒ４０４Ａ中に４重量％のｎ−ペンタン（非共沸冷媒の総重量に対して０．５〜２重量％の範囲）を添加しても良いものとする。

次に、低温側の冷媒の循環を説明する。圧縮機２０から吐出された高温高圧のガス状混合冷媒は、吐出側配管２０Ｄを介して放熱器３９内に流入し、そこで放熱されて混合冷媒中の沸点が高く、オイル相溶性の良好なオイルキャリア冷媒としてのｎ−ペンタンやＲ６００の一部が凝縮液化する。

放熱器３９を経た混合冷媒は、オイル分離器４０内に流入し、冷媒と混合している圧縮機２０の潤滑オイルの大部分と放熱器３９にて凝縮液化した冷媒の一部（ｎ−ペンタン、Ｒ６００の一部）が油戻し管４１にて圧縮機２０に帰還される。これにより、カスケード熱交換器４３より後段の冷媒回路３８には、より純度の高い低沸点冷媒が流れることとなり、効率的に超低温を得ることが可能となる。これにより、同一の能力の圧縮機１０及び２０であっても、より大きな容積の被冷却対象である貯蔵室４内を所定の超低温にまで冷却することが可能となり、冷凍装置１全体が大型化することなく収納容量の増大を図ることが可能となる。

ここで、本実施例では、オイル分離器４０内に流入される冷媒は、一旦、放熱器３９にて冷却されているため、カスケード熱交換器４３に入る冷媒温度を下げることが可能となる。具体的には、従来では、カスケード熱交換器４３内に流入される冷媒温度が＋６５℃程度であったものを本実施例では、＋４５℃程度にまで下げることが可能となる。

そのため、カスケード熱交換器４３において、低温側冷媒回路３５内の冷媒を冷却するための高温側冷媒回路２５の圧縮機に加わる負荷を軽減することが可能となる。また、効果的に低温側冷媒回路３５内の冷媒を冷却することが可能となるため、当該低温側冷媒回路３５を構成する圧縮機２０に加わる負荷を軽減することが可能となる。これにより、冷凍装置１全体の運転効率の改善を実現することが可能となる。

他の混合冷媒自体はカスケード熱交換器４３にて蒸発器３４より−４０℃〜−３０℃程度に冷却されて混合冷媒中の沸点の高い一部の冷媒（Ｒ２４５ｆａ、Ｒ６００、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０８の一部）を凝縮液化する。そして、カスケード熱交換器４３の凝縮パイプ４２を出た混合冷媒は乾燥器４４を経て第１の気液分離器４６に流入する。この時点では混合冷媒中のＲ１４とＲ５０とＲ７４０は沸点が極めて低いために未だ凝縮されておらずガス状態であり、Ｒ２４５ｆａ、Ｒ６００、Ｒ４０４Ａ、Ｒ５０８の一部のみが凝縮液化されているため、Ｒ１４とＲ５０とＲ７４０は気相配管４７に、Ｒ２４５ｆａとＲ６００とＲ４０４ＡとＲ５０８Ａは液相配管５０へと分離される。

気相配管４７に流入した冷媒混合物は第１の中間熱交換器４８と熱交換して凝縮された後、第２の気液分離器４９に至る。ここで第１の中間熱交換器４８には蒸発パイプ６２より帰還してくる低温の冷媒が流入し、更に液相配管５０に流入した液冷媒が乾燥器５１を経てキャピラリーチューブ５２で減圧された後、第１の中間熱交換器４８に流入してそこで蒸発することにより、冷却に寄与するため、未凝縮のＲ１４、Ｒ５０、Ｒ７４０、及びＲ５０８の一部を冷却する結果、第１の中間熱交換器４８の中間温度は−６０℃程となっている。従って、気相配管４７を通過した混合冷媒中のＲ５０８は完全に凝縮液化され、第２の気液分離器４９に分流される。Ｒ１４、Ｒ５０、Ｒ７４０は更に沸点が低いために未だガス状態である。

第２の中間熱交換器５６では、第２の気液分離器４９で分流されたＲ５０８が乾燥器５４で水分が除去され、キャピラリーチューブ５５で減圧された後、第２の中間熱交換器５６へ流入し、蒸発パイプ６２から帰還してくる低温の冷媒と共に気相配管５７中のＲ１４、Ｒ５０及びＲ７４０を冷却し、このうちで蒸発温度が最も高いＲ１４を凝縮させる。この結果、第２の中間熱交換器５６の中間温度は−９０℃程となる。

この第２の中間熱交換器５６を通過する気相配管５７は、続いて第３の中間熱交換器５８を経て第４の中間熱交換器５９を通過する。ここで、第４の中間熱交換器５９には蒸発器６２を出て直ぐの冷媒が帰還されており、実験によれば第４の中間熱交換器５９の中間温度が−１３０℃程とかなり低い温度に達する。

このため、第４の中間熱交換器５９では気相配管５７中のＲ５０及びＲ７４０の一部が凝縮し、これら液化したＲ１４、Ｒ５０及びＲ７４０の一部が乾燥器６０で水分が除去され、キャピラリーチューブ６１で減圧された後、蒸発パイプ６２に流入し、そこで蒸発して周囲を冷却する。実験によれば、このとき、蒸発パイプ６２の温度は−１６０．３℃〜−１５７．３℃という超低温となった。

このように、低温側冷媒回路３８における各冷媒の蒸発温度の差を利用して各中間熱交換器４８、５６、５８、５９でまだ気相状態にある冷媒を次々に凝縮させ、最終段の蒸発パイプ４２において−１５０℃以下という超低温を達成することができる。そのため、当該蒸発パイプ６２が内箱６の断熱材９側に沿って熱交換的に巻回して構成されることで、冷凍装置１の貯蔵室４内は、−１５２℃以下の庫内温度を実現することが可能となる。

蒸発パイプ６２を出た冷媒は、第４の中間熱交換器５９、第３の中間熱交換器５８、第２の中間熱交換器５６、第１の中間熱交換器４８に次々に流入し、各熱交換器で蒸発した冷媒と合流して吸入配管２０Ｓから圧縮機２０に帰還する。

圧縮機２０から冷媒に混入して吐出されるオイルは、大部分がオイル分離器４０により分離されて圧縮機２０に戻されているが、ミスト状となって冷媒と共にオイル分離器４０から吐出されてしまったものは、オイルとの相溶性の高いＲ６００に溶け込んだ状態で圧縮機２０に戻される。これにより、圧縮機２０の潤滑不良やロックを防止できる。また、Ｒ６００は液状態のまま圧縮機２０へ帰還してこの圧縮機２０内で蒸発されるので、圧縮機２０の吐出温度を低減できる。

上述した如き低温側冷媒回路３８を構成する圧縮機２０は、貯蔵室４内の庫内温度に基づき、図示しない制御装置により、ＯＮ−ＯＦＦ制御が行われる。この場合、制御装置により圧縮機２０の運転が停止されると、低温側冷媒回路３８内の混合冷媒は、膨張タンク６５方向を順方向とする逆止弁６７を介して、膨張タンク６５内に回収される。

そのため、圧縮機２０の停止時においてキャピラリーチューブ６６を介して膨張タンク６５内に冷媒が回収される場合に比して、著しく迅速に逆止弁６７を介して冷媒回路３８中の冷媒を膨張タンク６５内に回収することが可能となる。

これにより、冷媒回路３８内の圧力が上昇することを防止することができ、制御装置により圧縮機２０が起動された際には、キャピラリーチューブ６６を介して徐々に膨張タンク６５から冷媒回路３８中に冷媒を戻すことで、圧縮機２０の起動負荷を軽減することが可能となる。

従って、圧縮機２０の停止時における冷媒の膨張タンク６５への回収を迅速に行うことで、冷媒回路３８内の圧力を迅速に平衡とすることが可能となり、圧縮機２０の再起動時に、圧縮機２０に負荷をかけることなく、円滑に圧縮機２０の再起動を実行することができる。これにより、圧縮機起動時における冷媒回路３８内が平衡圧となるまでに要する時間を著しく短縮することで、圧縮機２０の運転効率を向上することができ、例えばプルダウン運転に要する時間を短縮することができ、利便性の向上を図ることができる。

尚、本実施例では、冷凍装置１を構成する冷媒回路をそれぞれ圧縮機１０又は２０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冷媒閉回路を構成する高温側冷媒回路２５と、低温側冷媒回路３８とから構成し、低温側冷媒回路３８は、圧縮機２０、凝縮パイプ４２、蒸発パイプ６２、この蒸発パイプ６２からの帰還冷媒が流通するように直列接続された複数の、具体的には、４つの中間熱交換器４８、５６、５８、５９と、複数の、具体的には、３つのキャピラリーチューブ４２、５５、６１を有し、複数種の非共沸混合冷媒が封入され、凝縮パイプ４２を経た冷媒中の凝縮冷媒を各キャピラリーチューブを介して各中間熱交換器に合流させ、該中間熱交換器で冷媒中の未凝縮冷媒を冷却することにより、順次より低い沸点の冷媒を凝縮させ、最終段のキャピラリーチューブ６１を介して最低沸点の冷媒を蒸発パイプ６２に流入させると共に、高温側冷媒回路２５の蒸発器３４と低温側冷媒回路３８の凝縮パイプ４２とでカスケード熱交換器４３を構成し、低温側冷媒回路３８の蒸発パイプ４２にて超低温を得る二元多段方式の冷凍装置１として説明しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、多元多段方式の冷凍装置であっても良いものとする。

本発明を適用した冷凍装置の斜視図である。図１の冷凍装置の正面図である。図１の冷凍装置の平面図である。図１の冷凍装置の貯蔵室内を透視した状態の側面図である。天面パネルを開放した状態の冷凍装置の斜視図である。図１の冷凍装置の冷媒回路図である。従来の冷凍装置の冷媒回路図である。

符号の説明

１冷凍装置
２断熱箱体
３機械室
４貯蔵室
６外箱
７内箱
９断熱材
１０高温側圧縮機
１１真空断熱パネル
１３断熱扉
２０低温側圧縮機
２５高温側冷媒回路
２６補助凝縮器
２７フレームパイプ
２８、３１凝縮器
２９、３０オイルクーラー
３２、４４、５１、５４、６０乾燥器
３３、５２、５５、６１キャピラリーチューブ
３４蒸発器
３５アキュムレータ
３６凝縮器用送風機
３８低温側冷媒回路
３９放熱器
４０オイル分離器
４１オイル戻し管
４２凝縮パイプ
４３カスケード熱交換器
４６第１の気液分離器
４８第１の中間熱交換器
４９第２の気液分離器
５６第２の中間熱交換器
５８第３の中間熱交換器
５９第４の中間熱交換器
６２蒸発パイプ

Claims

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冷媒閉回路を構成する高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とを備え、該低温側冷媒回路は、前記圧縮機、凝縮器、蒸発器、該蒸発器からの帰還冷媒が流通するように直列接続された複数の中間熱交換器及び複数の減圧装置を有し、複数種の非共沸混合冷媒が封入され、前記凝縮器を経た冷媒中の凝縮冷媒を前記減圧装置を介して前記中間熱交換器に合流させ、該中間熱交換器で前記冷媒中の未凝縮冷媒を冷却することにより、順次より低い沸点の冷媒を凝縮させ、最終段の前記減圧装置を介して最低沸点の冷媒を前記蒸発器に流入させると共に、前記高温側冷媒回路の蒸発器と前記低温側冷媒回路の凝縮器とでカスケード熱交換器を構成し、前記低温側冷媒回路の蒸発器にて超低温を得る冷凍装置において、
前記低温側冷媒回路の圧縮機の吐出側に設けられ、前記非共沸混合冷媒中のオイルを分離して前記圧縮機に戻すためのオイル分離器を備え、該オイル分離器と前記圧縮機間に放熱器を介設したことを特徴とする冷凍装置。
前記非共沸混合冷媒には、少なくとも他の冷媒に比して前記オイルとの相溶性が良好であり、且つ、沸点が高い冷媒が含まれることを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。