(57)【要約】【課題】所定温度より低いときに温度を上昇させることができる冷凍回路において、ホットガス方式、かつ、単一の電磁弁で、ホットガス性能の良い冷凍回路を実現すること。【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１と、上記圧縮機１の出口側に接続され上記冷媒を凝縮させ熱を放出する凝縮器２と、上記凝縮器２の出口側に接続され上記冷媒の圧力を下げる圧力変換器５と、上記圧力変換器５の出力側と上記圧縮機１の入力側の間に配設され周囲から温度を奪い上記冷媒を気化させる蒸発器７を含む冷凍回路において、上記圧力変換器５が直列に配設された第１の圧力変換器５ａと第２の圧力変換器５ｂを有し、上記圧縮機１の出口と上記凝縮器２の入口の間に設けた分岐８ａと上記第１と第２の圧力変換器５ａ，５ｂの間に設けた分岐８ｂとを結ぶ電磁弁６を備えることを特徴とする冷凍回路とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の出口側に接続され前記冷媒を凝縮させ熱を放出する凝縮器と、前記凝縮器の出口側に接続され前記冷媒の圧力を下げる圧力変換器と、前記圧力変換器の出力側と前記圧縮機の入力側の間に配設され周囲から温度を奪い前記冷媒を気化させる蒸発器を含む冷凍回路において、上記圧力変換器が直列に配設された第１の圧力変換器と第２の圧力変換器を有し、上記圧縮機の出口と上記凝縮器の入口の間に設けた分岐と上記第１と第２の圧力変換器の間に設けた分岐とを結ぶ電磁弁を備えることを特徴とする冷凍回路。
【請求項２】
上記第１と第２の圧力変換器が第１と第２のキャピラリチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍回路。
【請求項３】
上記第１のキャピラリチューブの内径が上記第２のキャピラリチューブの内径より細いことを特徴とする、請求項２に記載の冷凍回路。
【請求項４】
上記凝縮器と上記圧力変換器の間にドライヤが配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の冷凍回路。
【請求項５】
上記請求項１〜４のいずれか記載の冷凍回路を搭載し、チャンバ内温度を制御することを特徴とする遠心分離機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍回路及び遠心分離機に関するもので、特に、ホットガス方式の冷凍回路、及び該冷凍回路を搭載した遠心分離機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遠心分離機で遠心回転をさせると、回転の運動エネルギーの一部が熱に変わり、試料の温度が上昇する。しかしながら、遠心分離機の使用目的によっては、所定の温度で遠心分離することが求められる。これ故、遠心分離機に温度制御用の冷凍回路が搭載されることがある。
【０００３】
図５は、冷凍回路の原理を示すブロック・ダイアグラムである。気体状の冷媒を圧縮する圧縮機１０１、圧縮された高温高圧の気体になった冷媒を外気等で冷却して液体にする凝縮器１０２、液体の冷媒を小さな穴から噴出させる膨張弁１０４、液体が気化して低温を作り出す蒸発器１０７が４つの主要部分である。
【０００４】
気体状の冷媒は圧縮機１０１によって圧縮され、高温・高圧の気体になる。高温の冷媒は凝縮器１０２に送られ、外気により冷却され冷媒の温度が低下し、冷媒は凝縮する。液体状の冷媒が膨張弁１０４の小さな穴から噴霧され、蒸発器１０７で急激に減圧され、冷媒が気化する。このとき冷媒は気化熱を周辺から吸収するので、蒸発器１０７は気化熱によって低温になる。この低温により、周囲（例えば遠心分離機のチャンバ内）を冷却する。そして、圧縮機１０１で再び圧縮される過程を繰り返す。膨張弁１０４に代えて、キャピラリチューブを使うこともできる。すなわち、冷媒をキャピラリチューブから噴出させ、蒸発気化させる冷凍回路も知られている。
【０００５】
図６は、例えば遠心分離機のチャンバ内を冷却するための、従来技術による冷凍回路の一例のブロック・ダイアグラムである。この冷凍回路では、膨張弁に代えてキャピラリチューブを使っている。また、冷却し過ぎて温度が所定温度より下がると、冷媒が凝縮回路を通らないよう、凝縮回路を短絡する回路を設け、二つの電磁弁を用いて、冷媒が凝縮器を通ることと、短絡回路を通ることを択一的に切り替えている。このような方式は、バイパス方式あるいはホットガス方式と呼ばれている。
【０００６】
第１の電磁弁２０６ａが開いているとき、第２の電磁弁２０６ｂは閉じている。圧縮機２０１で圧縮され高温になった冷媒は凝縮器２０２で放熱し、さらに水分を除去するドライヤ２０３を通り、第１の電磁弁２０６ａを通り、第１のキャピラリチューブ２０５ａに送られる。キャピラリチューブは細い管であるので流体抵抗が大きく、入口と出口に圧力差を維持する。第１のキャピラリチューブ２０５ａの出口は蒸発器２０７に連結され、そこで冷媒の気化熱により温度が下がる。この低温部を遠心分離機のチャンバ壁に設けることにより、遠心分離機のチャンバ内温度を下げる。蒸発器２０７を通った冷媒は、圧縮機２０１で再び圧縮されて凝縮器２０２に送られる。遠心分離機のチャンバ内温度が所定の温度より下がると、第２の電磁弁２０６ｂが開き、第１の電磁弁２０６ａは閉じる。
【０００７】
第２の電磁弁２０６ｂが開いているときは、第１の電磁弁２０６ａは閉じているので、圧縮機２０１で圧縮された冷媒は第２の電磁弁２０６ｂを通る。第２の電磁弁２０６ｂは、第２のキャピラリチューブ２０５ｂを介して蒸発器２０７に連結されている。この時、冷媒は凝縮器２０２を通っていないので、熱は放熱されていない。従って、冷媒は圧縮機２０１、第２の電磁弁２０６ｂ、第２のキャピラリチューブ２０５ｂ、蒸発器２０７を循環するだけで、冷却効果はないため、遠心分離機のチャンバ内温度は上昇する。遠心分離機のチャンバ内温度が所定の温度より上がると、第２の電磁弁２０６ｂは閉じられ、第１の電磁弁２０６ａが開き、再び、冷却過程に戻る。この方式は、ホットガスを用いて、所定の温度に保つことができるが、電磁弁を２個使わねばならないという問題点がある。
【０００８】
図７は、電磁弁を１個だけ使い所定温度に保つ、他の従来技術による冷凍回路のブロック・ダイアグラムである。電磁弁３０６が閉じられているとき、圧縮機３０１で圧縮された高温の冷媒は凝縮器３０２で放熱する。凝縮器３０２の出口は、水分を除去するドライヤ３０３を介して、第１のキャピラリチューブ３０５ａに連結されている。第１のキャピラリチューブの出口は蒸発器３０７に連結され、そこで冷媒の気化熱により温度が下がる。この低温部を遠心分離機のチャンバ壁に設けることにより、遠心分離機のチャンバ内温度を下げる。蒸発器３０７を通った冷媒は、圧縮機３０１で再び圧縮されて凝縮器３０２に送られる。遠心分離機のチャンバ内温度が所定の温度より下がると、電磁弁３０６が開く。
【０００９】
電磁弁３０６が開いているときは、圧縮機３０１で圧縮された冷媒は、主として電磁弁３０６を通る。電磁弁３０６は、第２のキャピラリチューブ３０５ｂを介して蒸発器３０７に連結されている。なお、第１と第２のキャピラリチューブの内径は、通常第１より第１のキャピラリチューブの内径が太く設計されている。この時、電磁弁３０６を通った冷媒は凝縮器３０２を通っていないので、熱は放熱されていない。従って、冷媒は圧縮機３０１、電磁弁３０６、第２のキャピラリチューブ３０５ｂ、蒸発器３０７を循環するだけで、冷却効果はない。遠心分離機のチャンバ内温度が所定の温度より上がると、電磁弁３０６は閉じられ、再び、冷却過程に戻る。この方式では、圧縮機３０１で圧縮された冷媒の一部は、電磁弁３０６を通るばかりでなく、放熱する凝縮器３０２をも通るので、ホットガスを用いる効果が弱く、所定の温度に保つための温度レスポンスが遅く、後述するようにホットガス性能が悪いという問題点がある。
【００１０】
特許文献１に、圧縮機、凝縮器、ドライヤ、膨張弁、蒸発器、液溜めを環状に直列に接続した、冷凍回路が開示されている。この冷凍回路は、膨張弁の開度を大きくするとにより、膨張弁における気化冷却の程度を小さくして温度低下を少なくする方式である。開度調整により、冷凍効率を変化させ、デフロスト等を行うことができる。この方式では、圧縮機により高温高圧にされた冷媒は、全て常に凝縮器を通るので、そこで熱を放出することを停止することはない。ただ、気化冷却による温度低下の程度を下げるだけであるので、所定温度以下のときに温度を上昇させる応答速度に限界がある。また、該文献中に記載されているように、その方式はホットガス方式よりは不経済である。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−３７６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図６の冷凍回路は、経済的なホットガス方式で、かつ所定の温度より低いときに温度を上昇させるレスポンスも早いという利点があるが、電磁弁を２個使わねばならない。例えば、研究室用遠心分離機等に使うとき、電磁弁を２個使うことは、占有体積の観点からも、制御の容易性の観点からも、製造コストの観点からも好ましくはなく、使用する電磁弁は１個であることが望ましい。
【００１３】
図７の冷凍回路は、ホットガス方式であり、かつ使用する電磁弁が１個であるという利点はあるが、所定の温度より低いときに温度を上昇させるレスポンスが遅く、後述するようにホットガス性能が悪いという問題点がある。
【００１４】
特許文献１の冷凍回路は、経済的なホットガス方式ではなく、常に凝縮器で熱放出が行われている。
【００１５】
そこで、本発明は、所定温度より低いときに温度を上昇させることができる冷凍回路において、経済的に有利なホットガス方式であり、かつ、単一の電磁弁を用いて応答レスポンスの早い、ホットガス性能の良い、冷凍回路を提案することを課題とする。また、本発明は、前記性能を有する冷凍回路を搭載し、経済的に有利で、かつ、温度調節のためのレスポンスの早い、遠心分離機を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記した冷凍回路に関する課題は、請求項１に記載の冷凍回路によって解決された。
すなわち、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の出口側に接続され前記冷媒を凝縮させ熱を放出する凝縮器と、前記凝縮器の出口側に接続され前記冷媒の圧力を下げる圧力変換器と、前記圧力変換器の出力側と前記圧縮機の入力側の間に配設され周囲から温度を奪い前記冷媒を気化させる蒸発器を含む冷凍回路において、上記圧力変換器が直列に配設された第１の圧力変換器と第２の圧力変換器を有し、上記圧縮機の出力側と上記凝縮器の入力側の間に設けた分岐と上記第１と第２の圧力変換器の間に設けた分岐とを結ぶ電磁弁を備えることを特徴とする、冷凍回路によって解決された。
【００１７】
ここで、上記請求項１の本発明において、請求項２のように、第１と第２の圧力変換器としてキャピラリチューブを使うことが好ましい。また、請求項３のように、第１のキャピラリチューブの内径を第２のキャピラリチューブの内径より小さくすることが好ましい。さらに、請求項４のようにドライヤを配置して水分を除去することが好ましい。
【００１８】
また、上記した遠心分離機に関する課題は、請求項５に記載の遠心分離機によって解決された。
すなわち、上記請求項１〜４のいずれか記載の冷凍回路を搭載し、チャンバ内温度を制御することを特徴とする、遠心分離機によって解決された。
【発明の効果】
【００１９】
上記した請求項１の本発明に係る冷凍回路によれば、一個の電磁弁を用いて、ホットガス方式で所定の温度に上昇させるときの応答レスポンスを早くすることができ、ホットガス性能を向上させることができる。
また、上記した請求項２の本発明に係る冷凍回路によれば、製造コストを低減できるとともに、部材の配置を柔軟に変えることができ、遠心分離機内部のように冷凍のために使用可能な空間が狭いときも自由に対処できる。
さらに、上記した請求項３の本発明に係る冷凍回路によれば、第２のキャピラリチューブの内部の流体抵抗が小さくなるので、バイパス効果がより良く発揮される。
また、上記した請求項４の本発明に係る冷凍回路によれば、シリカゲル等のドライヤにより水分を除去すると、気化熱による温度低下の効率を高めることができる。
また、上記した請求項５の本発明に係る遠心分離機によれば、上記した請求項１〜４のいずれか記載の冷凍回路を搭載しているので、経済的に有利で、かつ、温度調節のためのレスポンスの早い、遠心分離機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、上記した本発明に係る冷凍回路及び遠心分離機の一実施の形態を、図面に基づいて説明する。ここで、図１は、本発明に係る冷凍回路の一実施例のブロック・ダイアグラムである。また図２は、本発明に係る冷凍回路を搭載した本発明に係る遠心分離機の一実施例を示した概念的な縦断面図である。
【００２１】
本発明に係る冷凍回路においては、先ず、圧縮機１で冷媒（例えば、フロンあるいはフロン代替ガス）が圧縮（ほぼ断熱圧縮）される。この結果、冷媒は高温高圧のガスになる。電磁弁６が閉じられているとき、その高温高圧ガスは全て凝縮器２に送られ、そこで熱が外界に放出される。このため、凝縮器２には、放熱フィンあるいは送風機を設けることが好ましい。
【００２２】
凝縮器２で温度が下がった冷媒は、ドライヤ３を介して、あるいは直接に第１のキャピラリチューブ５ａに送られる。ドライヤ３は冷媒中の水分を除去するためのものである。第１のキャピラリチューブ５ａの出口は第２のキャピラリチューブ５ｂの入口に連結され、第２のキャピラリチューブ５ｂの出口は蒸発器７に連結されている。第１のキャピラリチューブ５ａの内径は第２のキャピラリチューブ５ｂの内径より小さく設計されている。例えば、第１のキャピラリチューブの内径は０．８ｍｍ、第２のキャピラリチューブの内径は１．６ｍｍとされている。この結果、第１のキャピラリチューブ５ａの内部の流体抵抗は、第２のキャピラリチューブ５ｂの内部の流体抵抗より大きい。従って、キャピラリチューブ５ａの凝縮器２側の圧力は主として、第１のキャピラリチューブ５ａで保持される。
【００２３】
第１と第２のキャピラリチューブ５ａ，５ ｂを通った冷媒は蒸発器７の中で気化する。その時に周囲から熱を奪い、周囲の温度を下げる。そのため、図２に示したように、遠心分離機１０のチャンバ壁１１に上記蒸発器７を設けることにより、遠心分離機１０のチャンバ内の温度を下げることができる。
【００２４】
蒸発器７を通った冷媒は、再び圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒となり、上記の過程を繰り返す。
【００２５】
上記圧縮機１と凝縮器２の間に第１の分岐８ａが設けられ、上記第１と第２のキャピラリチューブ５ａ，５ｂの間に第２の分岐８ｂが設けられ、それら第１と第２の分岐８ａ，８ｂは、電磁弁６を介して接続されている。また、この遠心分離機１０では、チャンバ内に温度センサ１２が設けられ、該温度センサ１２が温度制御器１３に接続されているとともに、温度設定器１４が温度制御器１３に接続されている。
【００２６】
そして、遠心分離機１０に設けられた上記温度センサ１２により、チャンバ内の温度が測定され、その温度が温度設定器１４により設定された温度より低くなると、温度制御器１３の指令により上記電磁弁６が開かれる。この結果、圧縮機１で圧縮された冷媒は、電磁弁６の経路と、凝縮器２の経路に分流される。しかし、凝縮器２の経路は電磁弁６で短絡され、かつ第１のキャピラリチューブ５ａの内部の流体抵抗は相対的に大きいので、大部分の冷媒は、凝縮器２を通らず、電磁弁６と第２のキャピラリチューブ５ｂを通って蒸発器７に戻る。
【００２７】
この結果、凝縮器２での熱の放出はほとんど起こらない。すなわち、熱エネルギーを失っていない冷媒が蒸発器７に戻ってくる。従って、チャンバ内の温度は速やかに上昇する。続いて、温度センサ１２によってチャンバ内の温度が温度設定器１４により設定された温度以上になったことを検知すると、温度制御器１３の指令により上記電磁弁６が閉じられ、通常の冷却動作に戻る。
【００２８】
図３は、図７の従来技術による冷凍回路のホットガス性能を調べた実験結果である。
ホットガス性能とは、蒸発器で温度をどれだけ高温にすることが出来るかという性能である。太い破線は蒸発器入口の温度、細い点線は蒸発器出口の温度、実線は蒸発器の温度である。
【００２９】
図４は、図３とほぼ同じ条件で、本発明に係る冷凍回路のホットガス性能を調べた実験結果である。
図３と同様に、太い破線は蒸発器入口の温度、細い点線は蒸発器出口の温度、実線は蒸発器の温度である。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
図３と図４、および表１から分かるように、本発明に係る冷凍回路においては、ホットガス性能が大きく改善されていることが分かる。なお、電磁弁を２個使う図６のホットガス方式のホットガス性能は、電磁弁を１個しか使わない本発明に係るものとほぼ同程度であった。
【００３２】
以上、本発明に係る冷凍回路及び遠心分離機の実施の形態を説明したが、本発明は、何ら既述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形及び変更が可能であることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る冷凍回路のブロック・ダイアグラムである。
【図２】本発明に係る冷凍回路を搭載した本発明に係る遠心分離機の一実施例を示した概念的な縦断面図である。
【図３】図７の従来技術による冷凍回路のホットガス性能を調べた実験結果を示したグラフである。
【図４】図３とほぼ同じ条件で、本発明に係る冷凍回路のホットガス性能を調べた実験結果を示したグラフである。
【図５】冷凍回路の原理を示すブロック・ダイアグラムである。
【図６】遠心分離機のチャンバ内を冷却するための、従来技術による冷凍回路の一例のブロック・ダイアグラムである。
【図７】電磁弁を１個だけ使い所定温度に保つ、他の従来技術による冷凍回路のブロック・ダイアグラムである。
【符号の説明】
【００３４】
１      圧縮機
２      凝縮器
３      ドライヤ
５ａ，５ｂ    キャピラリチューブ
６      電磁弁
７      蒸発器
８ａ，８ｂ    分岐
１０    遠心分離機
１１    チャンバ壁
１２    温度センサ
１３    温度制御器
１４    温度設定器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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