JP2640051B2 - 冷凍装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧縮機を使用した冷凍装
置、特に、−６０℃以下の超低温を得る冷凍装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の冷凍装置は例えば実公昭
５８−２３１０１号公報に示されている。即ち高温側と
低温側の冷媒回路をそれぞれ独立した二系統の冷媒閉回
路にて構成し、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し、高温側冷媒回路の冷
媒の蒸発によって低温側冷媒回路の冷媒を凝縮する様に
している。これによって低温側冷媒回路にはより低い沸
点（蒸発温度）の冷媒を用いる事ができるので低温側冷
媒回路の蒸発器によって極めて低い温度を得る事が可能
となる。

【０００３】斯かる二元冷凍方式では低温側冷媒回路の
蒸発器において通常−８０℃程度の低温を得るものであ
るが、より低い温度例えば−１３０℃という温度を得る
ためには、冷媒回路構成に改良を加えたり、封入冷媒組
成に種々の工夫をする必要がある。

【０００４】本件出願人は先行して発明した特願昭６１
−９１５９９号明細書等において、上述した後者の方
法、即ち、封入冷媒組成を工夫する方法にて−１３０℃
という超低温を実現した。

【０００５】具体的には、高温側冷媒回路にＲ５００や
Ｒ５０２を、低温側冷媒回路にＲ１３Ｂ１（ブロモトリ
フルオロメタン）やＲ５０３を封入したものである。

【０００６】これによると通常の圧縮機を使用したもの
でも蒸発器において−１３０℃という超低温を達成でき
るが、蒸発器直前の減圧器に流入する冷媒（Ｒ５０）も
−１００℃以下の超低温となり、減圧器中、或いは近傍
の配管内で冷媒中の水分が氷結して目詰りを生ずる危険
がある。

【０００７】このため、従来装置では減圧器近傍の配管
にヒーターを設け、このヒーターをタイマーによって１
２時間毎に通電すると共にこの通電と同時に圧縮機を停
止するよう構成している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の構
成によると、ヒーターの通電は圧縮機の発停とは無関係
に定期的に行なわれるため、例えば図４に示すように庫
内温度が上昇して圧縮機を運転しなければならない場合
に、タイマーがタイムアップしてヒーターへの通電及び
圧縮機の強制停止が行なわれると、庫内温度が設定温度
の上限値を超えてどんどん上昇してしまい収納物に悪影
響を与えるという問題があった。（図４は設定温度の上
限値でタイマーがタイムアップした場合を示す）本発明
は斯かる点に鑑み為されたもので、氷結防止用ヒーター
の通電を庫内温度との関係で最適なタイミングで行なう
ことにより、庫内温度の上昇を確実に抑制し、収納物
（細胞、検体等）を長期間保存できるようにすることを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮機、凝縮
器、減圧装置、及び蒸発器を配管接続してなる冷凍装置
において、前記減圧装置或いは減圧装置近傍の配管を加
熱する加熱手段と、タイマー要素とを設け、タイマー要
素による所定時間内に圧縮機が停止した場合には圧縮機
の停止と同時に前記加熱手段を通電する一方、タイマー
要素による所定時間内に圧縮機の停止がない場合には圧
縮機を強制的に停止すると共に加熱手段を通電するよう
構成したものである。

【００１０】

【作用】本発明の冷凍装置は上記の構成により、例えば
冷凍装置の運転後において、タイマー要素による所定時
間内に圧縮機が停止した場合、即ち、庫内温度が設定温
度の下限値まで低下した時に圧縮機の停止と同時にヒー
ターに通電することができ、ヒーター通電による温度上
昇を常に下限値からとして庫内温度の上昇を抑制しつつ
減圧装置の配管内の氷結による目詰りを防止できる。

【００１１】また、タイマー要素による所定時間内に圧
縮機の停止がなかった場合にも従来のようにヒーターを
通電することができるため、減圧装置の配管内の氷結に
よる目詰りを確実に防止できる。

【００１２】

【実施例】次に図面に於いて本発明の実施例を説明す
る。図１は本発明の冷凍装置の冷媒回路（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。

【００１３】（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）を出た冷
媒配管は乾燥器（１２）を経た後、減圧器（１３）を介
して蒸発器を構成する蒸発器部分としての蒸発器（１
４）を経て冷媒液溜めとしてのアキュムレータ（１５）
に接続される。

【００１４】アキュムレータ（１５）から出た配管は電
動圧縮機（４）の吸入側配管（４Ｓ）に接続される。

【００１５】高温側冷媒回路（２）には沸点の異なる冷
媒クロロジフルオロメタン（Ｒ２２）と、１−クロロ−
１，１−ジフルオロエタン（Ｒ１４２ｂ）と、ジクロロ
フルオロメタン（Ｒ２１）とが充填され、その組成は例
えばＲ２２が７０重量％、Ｒ１４２ｂが２５重量％、Ｒ
２１が５重量％である。

【００１６】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）にて減圧されて蒸発器（１４）に次
々に流入して冷媒Ｒ２２及びＲ１４２ｂが蒸発し、気化
熱を周囲から吸収して蒸発器（１４）を冷却し、冷媒液
溜めとしてのアキュムレータ（１５）を経て電動圧縮機
（４）に帰還する。

【００１７】この時、電動圧縮機（４）の能力は例えば
１．５ＨＰであり、運転中の蒸発器（１４）の最終到達
温度は−２５℃乃至−３５℃になる。斯かる低温下では
冷媒中のＲ２１は沸点が８．９５℃であるので蒸発器
（１４）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、電動圧縮機（４）の潤滑油や
乾燥器（１２）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（４）に帰還せしめる
機能と、その液冷媒の電動圧縮機（４）内での蒸発によ
り、圧縮機（４）の温度を低減させる機能を奏する。

【００１８】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）は油分離器（１８）
に接続される。油分離器（１８）からは電動圧縮機（１
０）に戻る油戻し管（１９）が接続される。

【００１９】油分離器（１８）から出た冷媒配管は、蒸
発器（１４）内に挿入された高圧側配管としての凝縮パ
イプ（２３）に接続される。

【００２０】蒸発器（１４）と凝縮パイプ（２３）は、
カスケードコンデンサ（２５）を構成している。

【００２１】凝縮パイプ（２３）の吐出配管は乾燥器
（２８）を経て第１の気液分離器（２９）に接続され
る。

【００２２】気液分離器（２９）から出た気相配管（３
０）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。

【００２３】気液分離器（２９）から出た液相配管（３
４）は乾燥器（３５）を経た後減圧器（３６）を経て第
１の中間熱交換器（３２）に接続される。

【００２４】気液分離器（３３）から出た液相配管（３
８）は、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）に接続される。

【００２５】気液分離器（３３）から出た気相配管（４
３）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、乾燥器（４５）
を経て減圧器（４６）に接続される。

【００２６】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。

【００２７】第３の中間熱交換器（４４）は第２（４
２）及び第１の中間熱交換器（３２）に次々に接続され
た後、電動圧縮機（１０）の吸入側配管（１０Ｓ）に接
続される。

【００２８】ここで、減圧器（４６）の入口及び出口の
配管には氷結防止用のヒーター（５３）（５４）が取付
けられている。

【００２９】このヒーター（５３）（５４）は、マイク
ロコンピューター（５５）にて通電制御される。

【００３０】即ち、マイクロコンピューター（５５）に
は１８時間毎にタイムアップして信号を発生する第１の
タイマー要素（５６）と、第１のタイマー要素（５６）
がタイムアップした後に６時間を積算する第２のタイマ
ー要素（５７）とを内蔵しており、これらタイマー要素
（５６）（５７）の信号に基づいて圧縮機（４）（１
０）やヒーター（５３）（５４）を通電制御する。

【００３１】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。

【００３２】低温側冷媒回路（３）には沸点の異なる６
種類の混合冷媒が封入される。

【００３３】即ち、Ｒ２１（ジクロロフルオロメタ
ン）、Ｒ２２（クロロジフルオロメタン）、Ｒ２３（ト
リフルオロメタン）、Ｒ１４（四弗化炭素）、Ｒ５０
（メタン）、及びＲ７４０（アルゴン）からなる混合冷
媒が予め混合された状態で封入される。

【００３４】各冷媒の組成は、例えばＲ２１が１２重量
％、Ｒ２２が３８重量％、Ｒ２３が１６重量％、Ｒ１４
が２３重量％、Ｒ５０が５重量％、Ｒ７４０が６重量％
である。

【００３５】Ｒ５０はメタンであり酸素との結合にて爆
発を生じる危険があるが、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。

【００３６】次に低温側の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（１９）にて
電動圧縮機（１０）に戻し、冷媒自体はカスケードコン
デンサ（２５）にて蒸発器（１４）より冷却されて混合
冷媒中の沸点の高い一部の冷媒（Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２
３）を凝縮液化する。

【００３７】凝縮パイプ（２３）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とＲ７４０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、Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３の一部のみが凝縮液化され
ている為、Ｒ１４とＲ５０とＲ７４０は気相配管（３
０）に、Ｒ２１とＲ２２とＲ２３は液相配管（３４）へ
と分離される。

【００３８】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。

【００３９】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）に流入した液冷媒が乾燥器
（３５）を経て減圧器（３６）に減圧された後、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、未凝縮のＲ１４，Ｒ５０，Ｒ７
４０、及びＲ２３の一部を冷却する結果、第１の中間熱
交換器（３２）の中間温度は−５６．４℃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Ｒ
２３は完全に凝縮液化され、第２の気液分離器（３３）
に分流される。Ｒ１４，Ｒ５０、及びＲ７４０は更に沸
点が低い為に未だガス状態である。

【００４０】第２の中間熱交換器（４２）では、第２の
気液分離器（３３）で分流されたＲ２３が乾燥器（３
９）で水分を除去され、減圧器（４０）で減圧された
後、第２の中間熱交換器（４２）へ流入し、蒸発パイプ
（４７）から帰還してくる低温の冷媒と共に気相配管
（４３）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。

【００４１】この結果、第２の中間熱交換器（４２）の
中間温度は−８４．５℃となる。

【００４２】この第２の中間熱交換器（４２）を通過す
る気相配管（４３）は、続いて第３の中間熱交換器（４
４）を通過する。

【００４３】ここで、第３の中間熱交換器（４４）には
蒸発器（４７）を出てすぐの冷媒が帰還されており、実
験によれば第３の中間熱交換器（４４）の中間温度が−
１０９．８℃、入口付近の温度が−１５１．９℃とかな
り低い温度に達する。

【００４４】このため、第３の中間熱交換器（４４）で
は気相配管（４３）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
の一部が減圧器（４６）で減圧された後、蒸発パイプ
（４７）に流入し、そこで蒸発して周囲を冷却する。

【００４５】実験によればこの時、蒸発パイプ（４７）
の温度は−１５３．５℃という超低温となった。

【００４６】斯かる蒸発パイプ（４７）を例えば冷凍庫
に設置して庫内の冷却に使用することにより−１５２．
４℃の庫内温度を実現できた。

【００４７】蒸発パイプ（４７）を出た冷媒は、第３の
中間熱交換器（４４）、第２の中間熱交換器（４２）、
第１の中間熱交換器（３２）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側配管（１０Ｓ）から
電動圧縮機（１０）に帰還する。

【００４８】電動圧縮機（１０）から冷媒に混入して吐
出されるオイルは、大部分が油分離器（１８）により分
離されて圧縮機（１０）に戻されているが、ミスト状と
なって冷媒と共に油分離器（１８）から吐出されてしま
ったものは、オイルとの相溶性の良いＲ２１及びＲ２２
に溶け込んだ状態で圧縮機（１０）に戻される。

【００４９】これにより、圧縮機（１０）の潤滑不良や
ロックは防止できる。

【００５０】また、Ｒ２１は液状態のまま圧縮機（１
０）へ帰還してこの圧縮機（１０）内で蒸発されるの
で、圧縮機（１０）の吐出温度を低減できる。

【００５１】斯かる構成の冷凍装置において、氷結防止
用のヒーター（５３）（５４）は図２に示すフローチャ
ートのように通電制御される。

【００５２】まず、Ｓ１ステップでマイクロコンピュー
ター（５５）の第１のタイマー要素（５６）が１８時間
を積算したか否かを判定する。

【００５３】１８時間経っていない場合には再びスター
トに戻る。

【００５４】１８時間経過した場合にはＳ２ステップに
移り、１８時間経過後に庫内の温度サーモ（６１）によ
って圧縮機（４）（１０）が停止したか否か判定する。

【００５５】圧縮機（４）（１０）の停止があった場合
には、Ｓ３ステップに移り、圧縮機（４）（１０）の停
止と同時にヒーター（５３）（５４）を６分間通電す
る。そして、通電終了後はスタートに戻る。

【００５６】Ｓ２ステップで圧縮機（４）（１０）の停
止がなかった場合には、Ｓ４ステップに移り、第２のタ
イマー要素（５７）が６時間を積算したか否かを判定す
る。

【００５７】６時間経っていない場合には再びＳ２ステ
ップに戻る。

【００５８】６時間経過した場合、即ち、第２のタイマ
ー要素（５７）による６時間以内に圧縮機（４）（１
０）の停止がなかった場合には、Ｓ５ステップに移り、
圧縮機（４）（１０）を強制的に停止すると共に、これ
と同時にヒーター（５３）（５４）を６分間通電する。
そして、通電終了と同時に圧縮機（４）（１０）の強制
停止を解除した後、スタートに戻る。

【００５９】このように構成された冷凍装置によれば、
マイクロコンピューター（５５）の第１のタイマー要素
（５６）により１８時間が経過した後、第２のタイマー
要素（５７）による６時間以内に圧縮機（４）（１０）
が停止した場合には、図３に示すように圧縮機（４）
（１０）の停止と同時にヒーター（５３）（５４）に通
電することができるため、斯かるヒーター（５３）（５
４）への通電を常に庫内温度が設定温度の下限値にある
場合に行なうことができる。（庫内温度は温度サーモ
（６１）による圧縮機（４）（１０）の制御によって上
限値と下限値の間の設定温度に集束されている。）この
結果、ヒーター（５３）（５４）の通電による温度上昇
分Ｈも設定温度の下限値からとなり、庫内温度の上昇を
なるべく低く抑えることができる。

【００６０】また、第２のタイマー要素（５７）による
６時間以内に圧縮機（４）（１０）の停止がなかった場
合には、従前のように圧縮機（４）（１０）を強制停止
すると共にヒーター（５３）（５４）に通電するように
したので、最低でも１日に１回はヒーター（５３）（５
４）に通電することができ、減圧器（４６）の配管内の
氷結による目詰りを確実に防止できる。

【００６１】尚、本実施例では−１５０℃という超低温
を達成する二元混合冷媒回路にて説明したが、これに限
定されるものではなく、例えば−６０℃以下の庫内温度
を得る混合冷媒回路や二段圧縮冷媒回路で実施しても同
様の効果を奏する。

【００６２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、冷凍装置
の運転後において、タイマー要素による所定時間内に圧
縮機が停止した場合、即ち、庫内温度が設定温度の下限
値まで低下した時に圧縮機の停止と同時にヒーターに通
電することができ、ヒーターの通電が常に下限値から行
なわれるようにして庫内温度の上昇を抑制しつつ減圧装
置の配管内の氷結による目詰りを防止できる。

【００６３】また、タイマー要素による所定時間内に圧
縮機の停止がなかった場合にも従来のようにヒーターを
通電することができるため、減圧装置の配管内の氷結に
よる目詰りを確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷凍装置の冷媒回路図である。

【図２】ヒーターの制御を示すフローチャートである。

【図３】ヒーターの制御を示すタイムチャートである。

【図４】従来のヒーターの制御を示すタイムチャートで
ある。

【符号の説明】 ４，１０ 電動圧縮機 ２５ カスケードコンデンサ ４６ 減圧器 ４７ 蒸発パイプ ５３，５４ ヒーター ５５ マイクロコンピューター ５６ 第１のタイマー要素 ５７ 第２のタイマー要素 ６１ 温度サーモ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機、凝縮器、減圧装置、及び蒸発器
   を配管接続してなる冷凍装置において、前記減圧装置或
   いは減圧装置近傍の配管を加熱する加熱手段と、タイマ
   ー要素とを設け、タイマー要素による所定時間内に圧縮
   機が停止した場合には圧縮機の停止と同時に前記加熱手
   段を通電する一方、タイマー要素による所定時間内に圧
   縮機の停止がない場合には圧縮機を強制的に停止すると
   共に加熱手段を通電するよう構成したことを特徴とする
   冷凍装置。