(57)【要約】      （修正有）【課題】2元冷凍サイクル装置において炭酸ガスを冷媒とする冷凍機で、簡単な構造で構成機器数が少なく、運転操作やメインテナンスが容易な装置で極低温の被冷却流体を得る。【解決手段】カスケード熱交換器３１と凝縮器２間を低元冷媒が循環可能に構成し、炭酸ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧炭酸ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する低元冷媒により冷却して炭酸ガス液若しくは超臨界炭酸ガス流体とする凝縮器と、該凝縮器からのＣＯ２液若しくは超臨界ＣＯ２流体を、ＣＯ２の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体ＣＯ２とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となすＣＯ２膨張装置３と、前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を前記冷却負荷６からの被冷却流体に供給し、昇華後のＣＯ２ガスを前記圧縮機に送るＣＯ２昇華手段とを備えてなる。【選択図】図１
2008224206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた２元冷凍サイクル装置において、
前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を冷却流体が循環可能に構成し、
ＣＯ２ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧ＣＯ２ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する冷却流体により冷却してＣＯ２液若しくは超臨界ＣＯ２流体とする凝縮器と、該凝縮器からのＣＯ２液若しくは超臨界ＣＯ２流体を、ＣＯ２の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体ＣＯ２とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となすＣＯ２膨張装置と、該ＣＯ２膨張装置から送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を前記冷却負荷からの被冷却流体に供給するとともに昇華後のＣＯ２ガスを前記圧縮機に送るＣＯ２昇華手段とを備えてなることを特徴とする２元冷凍サイクル装置。
【請求項２】
前記ＣＯ２膨張装置を第１段膨張装置と第２段膨張装置とを直列に接続して構成し、該第１段膨張装置と第２段膨張装置との間に気液を分離する気液分離器を設置し、該気液分離器からのガスを高圧段圧縮機の吸入口に供給するガス管路を設けてなることを特徴とする請求項１記載の２元冷凍サイクル装置。
【請求項３】
前記ＣＯ２膨張装置は、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によってＣＯ２凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相ＣＯ２とするスクリュー式膨張機からなることを特徴とする請求項２に記載の２元冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた２元冷凍サイクル装置に係り、特にＣＯ２（炭酸ガス）を冷媒とし、該ＣＯ２を三重点以下の温度、圧力レベルまで冷却して固体・ガス二相ＣＯ２とした冷媒サイクルにより冷熱負荷に冷熱を供給する２元冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却負荷からの被冷却流体を、−（マイナス）数十℃という極低温に冷却する冷却手段として、高温側（高元側）と低温側（低元側）との二つの冷凍サイクルを組み合わせた２元冷却手段が、従来から用いられている。
かかる２元冷却手段の１つに、特許文献１（特開平１１−１４１７２号公報）、特許文献２（特開平１１−３０５９９号公報）等の技術が提供されている。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２の技術においては、高元側冷媒としてフロンＲ１３あるいはフロンＲ２２を用い、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張弁及びカスケードコンデンサの高元側蒸発器を該高元側冷媒（フロンＲ１３あるいはフロンＲ２２）が流れる高元側冷凍サイクルと、低元側冷媒としてＣＯ２（炭酸ガス）を用い、低元側圧縮機、カスケードコンデンサの低元側凝縮器、低元側膨張弁及びＣＯ２蒸発器（低元側蒸発器）を低元側冷媒（ＣＯ２）が流れる低高元側冷凍サイクルとを組み合わせ、前記カスケードコンデンサの高元側蒸発器により該カスケードコンデンサの低元側凝縮器を冷却することによって、極低温の被冷却流体を得るとともに、ＣＯ２蒸発器においてＣＯ２を蓄熱材として液体と固体（ドライアイス）の状態で蓄熱作用を行わせるように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１４１７２号公報
【特許文献２】特開平１１−３０５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１（特開平１１−１４１７２号公報）、特許文献２（特開平１１−３０５９９号公報）等で提供されている従来技術にあっては、極低温の被冷却流体を得るのに、高元側冷媒（フロンＲ１３あるいはフロンＲ２２）が流れる高元側冷凍サイクルと低元側冷媒（ＣＯ２）が流れる低高元側冷凍サイクルとの２つの冷凍サイクルを組み合わせているため、構成機器数が多くなって構造が複雑となるとともに装置コストが高くなり、さらには運転操作やメインテナンスも煩雑となる、
等の問題点を有している。
【０００６】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、簡単な構造で構成機器数が少なくかつ装置コストが低減され、さらには運転操作やメインテナンスが容易な装置で以って極低温の被冷却流体を得ることができる２元冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はかかる目的を達成するもので、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、
前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を低元冷媒（冷却流体）が循環可能に構成し、
ＣＯ２ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧ＣＯ２ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する冷却流体（低元冷媒）により冷却してＣＯ２液若しくは超臨界ＣＯ２流体とする凝縮器と、該凝縮器からのＣＯ２液若しくは超臨界ＣＯ２流体を、ＣＯ２の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体ＣＯ２とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となすＣＯ２膨張装置と、該ＣＯ２膨張装置から送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を前記冷却負荷からの被冷却流体に供給するとともに昇華後のＣＯ２ガスを前記圧縮機に送るＣＯ２昇華手段とを備えてなることを特徴とする。
前記ＣＯ２膨張装置としては、毛細管状の細管内を凝縮器からのＣＯ２凝縮体を通流させることにより該ＣＯ２凝縮体を減圧して固体・ガス二相ＣＯ２を形成するキャピラリチューブ、あるいは、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によって前記ＣＯ２凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相ＣＯ２とするスクリュー式膨張機を用いるのがよい。
【０００８】
かかる発明において好ましくは、前記ＣＯ２膨張装置を第１段膨張装置と第２段膨張装置とを直列に接続して構成し、該第１段膨張装置と第２段膨張装置との間に気液を分離する気液分離器を設置し、該気液分離器からのガスを前記高圧段圧縮機の吸入口に供給するガス管路を設けてなるのがよい。
【０００９】
かかる発明によれば、ＣＯ２ガスは圧縮機で６０ＭＰａ以上の高圧、好ましくは飽和圧力あるいは超臨界圧力で２５℃程度の温度レベルに圧縮されたＣＯ２ガスは、凝縮器において冷却流体によって−１０℃程度まで冷却されて、ＣＯ２液あるいは超臨界ＣＯ２流体となってＣＯ２膨張装置に導かれる。
該ＣＯ２膨張装置においては、好ましくは前記キャピラリチューブあるいはスクリュー式膨張機を用いて、前記ＣＯ２の液あるいは超臨界ＣＯ２流体をＣＯ２の三重点以下の温度（−５６℃）及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体ＣＯ２とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となすのがよい。
かかる固体・ガス二相ＣＯ２は、ガス分の流動性によって微小粒の固体分（ドライアイス）を搬送するので、搬送性を良好に保持できる。
【００１０】
かかるＣＯ２膨張装置による減圧時において、該ＣＯ２膨張装置を第１段膨張装置と第２段膨張装置とを直列に接続して構成するとともに、前記圧縮機を低圧段圧縮機と高圧段圧縮機とを直列に接続して構成し、該第１段膨張装置と第２段膨張装置との間に気液を分離する気液分離器を設置して該気液分離器からのガスを前記高圧段圧縮機の吸入口に供給するように構成すれば、該ＣＯ２膨張装置における固体・ガス二相ＣＯ２を生成するための減圧量が大きくても、きわめて容易に三重点以下の温度（−５６℃）及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体・ガス二相ＣＯ２を生成できる。
【００１１】
前記ＣＯ２膨張装置で、前記三重点以下の状態に保持された固体・ガス二相ＣＯ２はＣＯ２昇華手段に導入され、該ＣＯ２昇華手段において、冷却負荷からの被冷却流体と直接的にあるいは間接的に熱交換して、該固体・ガス二相ＣＯ２の固体分が昇華し、その昇華熱によって前記冷却負荷からの被冷却流体から奪熱する。これにより、前記冷却負荷に、前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を供給することができる。
【００１２】
従って、かかる発明によれば、ＣＯ２ガスを飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機及びこの高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する凝縮器に、該凝縮器からのＣＯ２凝縮体をＣＯ２の三重点以下の圧力、温度レベルに減圧して固体・ガス二相ＣＯ２となす１つあるいは直列に複数設けられたＣＯ２膨張装置及び前記減圧された固体・ガス二相ＣＯ２と被冷却流体とを熱交換するＣＯ２昇華手段とを組み合わせてなるＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献１、２等の従来技術のような、液体ＣＯ２の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率のＣＯ２冷凍機が得られる。
また、ＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献１、２等の従来技術のような高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルとの２つの冷凍サイクルを組み合わせたものに比べて、構成機器数が低減されて構造も簡単化されるとともに装置コストが低減される。また、１つの冷凍サイクルであるので、運転操作やメインテナンスも簡単である。
【００１３】
また、かかる発明において好ましくは、前記被冷却流体として前記冷却負荷に冷熱を供給するブラインを用い、前記ＣＯ２昇華手段は、前記ＣＯ２膨張装置から送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２とブラインとを直接接触させて該ブラインに前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を供給するように構成された直接接触ＣＯ２昇華装置からなる。
このように構成すれば、冷却負荷側のブラインと固体・ガス二相ＣＯ２とを直接接触させて、該固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を冷却負荷に供給するので、固体・ガス二相ＣＯ２側から冷却負荷側への冷熱の伝達効率が高くなるのがよい。
【００１４】
また、かかる発明において好ましくは、前記ＣＯ２昇華手段は、前記ＣＯ２膨張装置から送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２と前記冷却負荷からの被冷却流体とを間接接触させて該被冷却流体に前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を供給するように構成された間接接触ＣＯ２昇華熱交換器からなる。
このように構成すれば、被冷却流体を多数の細管内に流し、固体・ガス二相ＣＯ２を該細管の外側に流すことにより、ＣＯ２昇華手段として格別な装置を設置することなく汎用の熱交換器を容易に利用できる。
【００１５】
また、かかる発明において、前記凝縮器において前記高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する冷却流体とアンモニア冷凍サイクル等の高元冷凍サイクルの高元冷媒とを熱交換して該冷却流体を冷却するカスケード熱交換器を設置する。
このように構成すれば、凝縮器での高圧ＣＯ２ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器２の冷却度が大きくなり高圧ＣＯ２ガスを１段冷却で、より低温に冷却できる。
【発明の効果】
【００１６】
以上記載のごとく本発明によれば、ＣＯ２ガスを飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機及びこの高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する凝縮器に、該凝縮器からのＣＯ２凝縮体をＣＯ２の三重点以下の圧力、温度レベルに減圧して固体・ガス二相ＣＯ２となす１つあるいは直列に複数設けられたＣＯ２膨張装置及び前記減圧された固体・ガス二相ＣＯ２と被冷却流体とを熱交換するＣＯ２昇華手段とを組み合わせてなるＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、従来技術のような、液体ＣＯ２の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率のＣＯ２冷凍機が得られる。
【００１７】
また、ＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献１、２等の従来技術のような高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルとの２つの冷凍サイクルを組み合わせたものに比べて、構成機器数が低減されて構造も簡単化されるとともに装置コストが低減される。また、１つの冷凍サイクルであるので、運転操作やメインテナンスも簡単である。
又凝縮器での高圧ＣＯ２ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器２の冷却度が大きくなり高圧ＣＯ２ガスを１段冷却で、より低温に冷却できる。特に前記凝縮器２とカスケード熱交換器との間を低元冷媒管を通して低元冷媒を循環することにより、該低元冷媒により高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮するようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
図１（Ａ）は本発明の第１実施例に係るＣＯ２冷凍機を示し、（Ａ）はその系統図、（Ｂ）は直接接触昇華装置の他の例を示す構成図である。図２は第２実施例に係るＣＯ２冷凍機を示し、（Ａ）はその系統図、（Ｂ）は間接接触ＣＯ２昇華熱交換器を示す構成図である。図３は第３実施例に係るＣＯ２冷凍機の要部系統図である。図４は本発明の作用を示すモリエル線図である。図５は炭酸ガスの状態図である。
【００２０】
第１実施例を示す図１（Ａ）において、１はモータにより駆動される圧縮機で、低圧段圧縮機１ｂと高圧段圧縮機１ａとを直列に接続して構成される。３３は前記低圧段圧縮機１ｂのガス出口と高圧段圧縮機１ａのガス入口との間に設置された中間冷却器である。
２は前記高圧段圧縮機１ａから冷媒管９を通して送られる高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する凝縮器である。
【００２１】
３２は高元冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍機、３１はカスケード熱交換器で、該アンモニア冷凍機３２からの高元冷媒を高元冷媒管３４、３５を通してカスケード熱交換器３１に循環し、前記凝縮器２とカスケード熱交換器３１との間を低元冷媒管２０、２１を通して低元冷媒を循環することにより、該低元冷媒により高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮するようになっている。
【００２２】
３は前記凝縮器２出口に冷媒管１３を介して接続されるＣＯ２膨張装置で、この実施例では毛細管状の細管内を前記凝縮器２からのＣＯ２凝縮体を通流させることにより、該ＣＯ２凝縮体を減圧して固体・ガス二相ＣＯ２を形成するようにした、公知のキャピラリチューブを用いている。
また、前記ＣＯ２膨張装置は、本件出願人の出願に係る特開２００２−１６８１８５号公報に記載されたスクリュー式圧縮機の回転方向を逆にするとともに、吸入口と吐出口とを逆にして、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によって前記凝縮器２からのＣＯ２凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相ＣＯ２とするスクリュー式膨張機を用いてもよい。
【００２３】
４は前記ＣＯ２膨張装置に冷媒管１０を介して接続される直接接触ＣＯ２昇華装置である。該直接接触ＣＯ２昇華装置には、冷却負荷６側からブラインが循環されており、貯液槽１１ｂの内部に溜められたブライン１１ａ中に、前記ＣＯ２膨張装置３から前記冷媒管１０を経て送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２を該冷媒管１０の端部に連結されたＣＯ２噴出器４ａより噴出して、該固体・ガス二相ＣＯ２とブラインとを直接接触させ、該ブラインの熱によって前記固体・ガス二相ＣＯ２を昇華させ、該昇華によってブラインから奪熱するようになっている。
図１（Ｂ）は前記直接接触ＣＯ２昇華装置４の他の例を示し、この例においては、前記冷媒管１０の端部に連結されたＣＯ２噴出器４ｂを該直接接触ＣＯ２昇華装置４内のガス空間１１ｃ内に設け、前記固体・ガス二相ＣＯ２を該ＣＯ２噴出器４ｂから前記ブライン１１ａの表面に霧状に噴出せしめるようになっている。
【００２４】
５はブライン熱交換器で、該ブライン熱交換器５と前記直接接触ＣＯ２昇華装置４との間をブライン管１１及び１２を介して循環するブラインと、該ブライン熱交換器５と前記冷却負荷６との間を冷却管２２及び２３を介して循環する被冷却流体とを熱交換して、該ブラインの冷熱により前記被冷却流体を冷却するものである。７は前記ブラインを循環させるためのブラインポンプ、６ａは前記被冷却流体を循環させるための冷却流体ポンプである。
前記直接接触ＣＯ２昇華装置４にて昇華したガス空間１１ｃ内のＣＯ２ガスは、冷媒管８を介して前記低圧段圧縮機１ｂの吸入口に吸入されるようになっている。
【００２５】
かかる構成からなるＣＯ２冷凍機において、冷媒管８を通して低圧段圧縮機１ｂに吸入されたＣＯ２ガスは、該低圧段圧縮機１ｂにおいて、第１段目の圧縮がなされ（図４のＡ→Ｂ）、中間冷却器３３において冷却、降温された（図４のＢ→Ｃ）後、高圧段圧縮機１ａにおいてさらに圧縮されて（図４のＣ→Ｄ）、飽和圧力あるいは超臨界圧力で２５℃程度の温度レベルに圧縮された高圧ＣＯ２ガスとなり、凝縮器２に導入される。
【００２６】
前記凝縮器２においては、該凝縮器２と前記カスケード熱交換器３１との間を低元冷媒管２０、２１を介して循環する低元冷媒と、前記圧縮機１１からの高圧ＣＯ２ガスとを熱交換して、該低元冷媒によって前記飽和圧力あるいは超臨界圧力の高圧状態のＣＯ２ガスを−１０℃程度まで冷却して、ＣＯ２液あるいは超臨界ＣＯ２流体とする（図４のＤ→Ｅ１）。
即ち、前記カスケード熱交換器３１においては、アンモニア冷凍機３２における高元冷凍サイクルのアンモニア冷媒（高元冷媒）の蒸発によってと前記凝縮器２を循環する低元冷媒を冷却する。そして低温に冷却された低元冷媒は、前記凝縮器２に送られて前記高圧ＣＯ２ガスと熱交換することにより、前記低温（−１０℃程度）まで冷却、凝縮される。
【００２７】
このように構成すれば、凝縮器２での高圧ＣＯ２ガス冷却用として、アンモニア冷凍機３２における高元冷凍サイクルの高元冷媒により低温に冷却された低元冷媒を用いることにより、凝縮器２の冷却度が大きくなり、高圧ＣＯ２ガスを１段冷却で所要の低温に冷却できる。
尚、前記凝縮器２の冷却度を大きくとる必要がない場合等においては、高元冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍機３２及びカスケード熱交換器３１を設けずに、他の冷却源からの冷却流体を凝縮器２に通すことにより、前記高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮するように構成してもよい。
【００２８】
前記凝縮器２において、飽和圧力あるいは超臨界圧力で−１０℃程度まで冷却されたＣＯ２液あるいは超臨界ＣＯ２流体は、該ＣＯ２膨張装置３に導入される。
キャピラリチューブからなる前記ＣＯ２膨張装置３においては、前記ＣＯ２液あるいは超臨界ＣＯ２流体を、図５に示されるような、ＣＯ２の三重点（−５６℃）以下となる温度及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体ＣＯ２（ドライアイス）とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となして、直接接触ＣＯ２昇華装置４に送給する。
この場合、かかる固体・ガス二相ＣＯ２は、ガス分の流動性によって微小粒の固体分（ドライアイス）を搬送するので、搬送性を良好に保持できる。
【００２９】
該直接接触ＣＯ２昇華装置４に導入された固体・ガス二相ＣＯ２は、ＣＯ２噴出器４ａもしくは４ｂによって貯液槽１１ｂの内部に溜められたブライン１１ａ中に噴出せしめられ、該ブライン１１ａと直接接触せしめられる。
かかるブライン１１ａとの直接接触により、前記固体・ガス二相ＣＯ２中の固体分（ドライアイス）は該ブラインの熱によって昇華せしめられ、該昇華によってブラインから奪熱する。これにより冷却されたブラインは、前記ブライン熱交換器５を循環して、該ブライン熱交換器５において冷却負荷６からの被冷却流体と熱交換する。
これにより、前記被冷却流体は該ブラインの冷熱により所定温度に冷却される。
【００３０】
一方、前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華によってガス空間１１ｃに貯められたＣＯ２ガスは、前記冷媒管８を介して前記低圧段圧縮機１ｂの吸入口に吸入される。
このように、前記低圧段圧縮機１ｂによって前記ガス空間１１ｃのガスを吸引しているので、該直接接触ＣＯ２昇華装置４内の圧力が上昇することはない。
【００３１】
前記のように、かかる実施例によれば、ＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷６に冷熱を供給するので、従来技術のような、液体ＣＯ２の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率のＣＯ２冷凍機が得られる。
また、直接接触ＣＯ２昇華装置４において冷却負荷側のブラインと固体・ガス二相ＣＯ２とを直接に接触させて、該固体・ガス二相ＣＯ２中の固体分の昇華による冷熱を冷却負荷に供給するので、固体・ガス二相ＣＯ２側から冷却負荷側への冷熱の伝達効率が高くなる。
【００３２】
図２（Ａ）、（Ｂ）に示される第２実施例においては、前記直接接触ＣＯ２昇華装置４に代えて、間接接触ＣＯ２昇華熱交換器３０を用いている。
即ち間接接触ＣＯ２昇華熱交換器３０は、図２（Ｂ）に示されるように、通常使用されている多管式熱交換器を用いることができる。
【００３３】
図２（Ｂ）において、３０ｂ及び３０ｃは、冷却液管２３、２４を介して冷却負荷６に接続されるヘッダー、３０ａは該ヘッダー３０ｂ、３０ｃ間に架設された多数の冷却管で、内部を冷却負荷６からの被冷却流体が通流する。該冷却管３０ａの間には前記ＣＯ２膨張装置３から冷媒管１０を通って前記固体・ガス二相ＣＯ２が通流するＣＯ２通路３０ｅが形成されており、前記冷却管３０ａ内の被冷却流体と熱交換するようになっている。
即ち、該間接接触ＣＯ２昇華熱交換器３０においては、前記ＣＯ２膨張装置３から送給される固体・ガス二相ＣＯ２と冷却管３０ａを流れる前記冷却負荷６からの被冷却流体とを間接接触させて、該被冷却流体に前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を供給する。
その他の構成は図１に示される第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３４】
第３実施例を示す図３においては、前記第１、第２実施例におけるＣＯ２膨張装置３に代えて第１段ＣＯ２膨張装置３ａと第２段ＣＯ２膨張装置３ｂとを冷媒管４２及び４３を介して直列に接続して構成するとともに、該第１段ＣＯ２膨張装置３ａと第２段ＣＯ２膨張装置３ｂとの間に気液を分離する気液分離器４１を設置している。
該気液分離器４１でＣＯ２ガスを分離させた後の液体ＣＯ２は、冷媒管４３を介して前記第２段ＣＯ２膨張装置３ｂに送られ、該第２段ＣＯ２膨張装置３ｂにおいて、図５に示されるような、ＣＯ２の三重点（−５６℃）以下となる温度及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体ＣＯ２（ドライアイス）とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となして、直接接触ＣＯ２昇華装置４（あるいは間接接触ＣＯ２昇華熱交換器）に送給する。
また、前記気液分離器４１で分離されたＣＯ２ガスは、冷媒管４４を介して前記高圧段圧縮機１ａの吸入口に供給される。
【００３５】
かかる第３実施例のように構成すれば、ＣＯ２膨張装置３ａ、３ｂにおける固体・ガス二相ＣＯ２を生成するための減圧量が大きくても、第１段ＣＯ２膨張装置３ａと第２段ＣＯ２膨張装置３ｂとを直列に接続して２段膨張（図４のＥ→Ｆ及びＧ→Ｈ）させることにより、液体ＣＯ２あるいは超臨界ＣＯ２流体をきわめて容易に三重点以下の温度（−５６℃）及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体・ガス二相ＣＯ２を生成できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
かかる発明によれば、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、簡単な構造で構成機器数が少なくかつ装置コストが低減され、さらには運転操作やメインテナンスが容易な装置で以って極低温の被冷却流体を得ることができる2元冷凍サイクル装置を提供できるとともに、前記凝縮器において前記高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する冷却流体とアンモニア冷凍サイクル等の高元冷凍サイクルの高元冷媒とを熱交換して該冷却流体を冷却するカスケード熱交換器を設置する。
このように構成すれば、凝縮器での高圧ＣＯ２ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器２の冷却度が大きくなり高圧ＣＯ２ガスを１段冷却で、より低温に冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１（Ａ）は本発明の第１実施例に係るＣＯ２冷凍機を示し、（Ａ）はその系統図、（Ｂ）は直接接触昇華装置の他の例を示す構成図である。
【図２】第２実施例に係るＣＯ２冷凍機を示し、（Ａ）はその系統図、（Ｂ）は間接接触ＣＯ２昇華熱交換器を示す構成図である。
【図３】第３実施例に係るＣＯ２冷凍機の要部系統図である。
【図４】本発明の作用を示すモリエル線図である。
【図５】炭酸ガスの状態図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    圧縮機
１ａ  高圧段圧縮機
１ｂ  低圧段圧縮機
２    凝縮器
３    ＣＯ２膨張装置
３ａ  第１段ＣＯ２膨張装置
３ｂ  第２段ＣＯ２膨張装置
４    直接接触ＣＯ２昇華装置
４ａ、４ｂ  ＣＯ２噴出器
５  ブライン熱交換器
６  冷却負荷
１１ａ  ブライン
３０  間接接触ＣＯ２昇華熱交換器
３１  カスケード熱交換器
３２  アンモニア冷凍機
４１  気液分離器
【図１】
2008224206.tif 000003
【図２】
2008224206.tif 000004
【図３】
2008224206.tif 000005
【図４】
2008224206.tif 000006
【図５】
2008224206.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月7日(2008.4.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた２元冷凍サイクル装置に係り、特にＣＯ２（炭酸ガス）を冷媒とし、該ＣＯ２を三重点以下の温度、圧力レベルまで冷却して固体・ガス二相ＣＯ２とした冷媒サイクルにより冷熱負荷に冷熱を供給する２元冷凍サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却負荷からの被冷却流体を、−（マイナス）数十℃という極低温に冷却する冷却手段として、高温側（高元側）と低温側（低元側）との二つの冷凍サイクルを組み合わせた２元冷却手段が、従来から用いられている。
かかる２元冷却手段の１つに、特許文献１（特開平１１−１４１７２号公報）、特許文献２（特開平１１−３０５９９号公報）等の技術が提供されている。
【０００３】
特許文献１及び特許文献２の技術においては、高元側冷媒としてフロンＲ１３あるいはフロンＲ２２を用い、高元側圧縮機、高元側凝縮器、高元側膨張弁及びカスケードコンデンサの高元側蒸発器を該高元側冷媒（フロンＲ１３あるいはフロンＲ２２）が流れる高元側冷凍サイクルと、低元側冷媒としてＣＯ２（炭酸ガス）を用い、低元側圧縮機、カスケードコンデンサの低元側凝縮器、低元側膨張弁及びＣＯ２蒸発器（低元側蒸発器）を低元側冷媒（ＣＯ２）が流れる低高元側冷凍サイクルとを組み合わせ、前記カスケードコンデンサの高元側蒸発器により該カスケードコンデンサの低元側凝縮器を冷却することによって、極低温の被冷却流体を得るとともに、ＣＯ２蒸発器においてＣＯ２を蓄熱材として液体と固体（ドライアイス）の状態で蓄熱作用を行わせるように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１４１７２号公報
【特許文献２】特開平１１−３０５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１（特開平１１−１４１７２号公報）、特許文献２（特開平１１−３０５９９号公報）等で提供されている従来技術にあっては、極低温の被冷却流体を得るのに、高元側冷媒（フロンＲ１３あるいはフロンＲ２２）が流れる高元側冷凍サイクルと低元側冷媒（ＣＯ２）が流れる低高元側冷凍サイクルとの２つの冷凍サイクルを組み合わせているため、構成機器数が多くなって構造が複雑となるとともに装置コストが高くなり、さらには運転操作やメインテナンスも煩雑となる、
等の問題点を有している。
【０００６】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、簡単な構造で構成機器数が少なくかつ装置コストが低減され、さらには運転操作やメインテナンスが容易な装置で以って極低温の被冷却流体を得ることができる２元冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はかかる目的を達成するもので、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、
前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を低元冷媒（冷却流体）が循環可能に構成し、
ＣＯ２ガスを常温レベルの温度で飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高圧ＣＯ２ガスを、前記カスケード熱交換器と前記凝縮器間を循環する冷却流体（低元冷媒）により冷却してＣＯ２液若しくは超臨界ＣＯ２流体とする凝縮器と、該凝縮器からのＣＯ２液若しくは超臨界ＣＯ２流体を、ＣＯ２の三重点以下の圧力及び温度レベルに減圧して固体ＣＯ２とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となすＣＯ２膨張装置と、該ＣＯ２膨張装置から送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を前記冷却負荷からの被冷却流体に供給するとともに昇華後のＣＯ２ガスを前記圧縮機に送るＣＯ２昇華手段とを備えてなることを特徴とする。
前記ＣＯ２膨張装置としては、毛細管状の細管内を凝縮器からのＣＯ２凝縮体を通流させることにより該ＣＯ２凝縮体を減圧して固体・ガス二相ＣＯ２を形成するキャピラリチューブ、あるいは、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によって前記ＣＯ２凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相ＣＯ２とするスクリュー式膨張機を用いるのがよい。
【０００８】
かかる発明において好ましくは、前記ＣＯ２膨張装置を第１段膨張装置と第２段膨張装置とを直列に接続して構成し、該第１段膨張装置と第２段膨張装置との間に気液を分離する気液分離器を設置し、該気液分離器からのガスを前記高圧段圧縮機の吸入口に供給するガス管路を設けてなるのがよい。
【０００９】
かかる発明によれば、ＣＯ２ガスは圧縮機で６０ＭＰａ以上の高圧、好ましくは飽和圧力あるいは超臨界圧力で２５℃程度の温度レベルに圧縮されたＣＯ２ガスは、凝縮器において冷却流体によって−１０℃程度まで冷却されて、ＣＯ２液あるいは超臨界ＣＯ２流体となってＣＯ２膨張装置に導かれる。
該ＣＯ２膨張装置においては、好ましくは前記キャピラリチューブあるいはスクリュー式膨張機を用いて、前記ＣＯ２の液あるいは超臨界ＣＯ２流体をＣＯ２の三重点以下の温度（−５６℃）及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体ＣＯ２とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となすのがよい。
かかる固体・ガス二相ＣＯ２は、ガス分の流動性によって微小粒の固体分（ドライアイス）を搬送するので、搬送性を良好に保持できる。
【００１０】
かかるＣＯ２膨張装置による減圧時において、該ＣＯ２膨張装置を第１段膨張装置と第２段膨張装置とを直列に接続して構成するとともに、前記圧縮機を低圧段圧縮機と高圧段圧縮機とを直列に接続して構成し、該第１段膨張装置と第２段膨張装置との間に気液を分離する気液分離器を設置して該気液分離器からのガスを前記高圧段圧縮機の吸入口に供給するように構成すれば、該ＣＯ２膨張装置における固体・ガス二相ＣＯ２を生成するための減圧量が大きくても、きわめて容易に三重点以下の温度（−５６℃）及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体・ガス二相ＣＯ２を生成できる。
【００１１】
前記ＣＯ２膨張装置で、前記三重点以下の状態に保持された固体・ガス二相ＣＯ２はＣＯ２昇華手段に導入され、該ＣＯ２昇華手段において、冷却負荷からの被冷却流体と直接的にあるいは間接的に熱交換して、該固体・ガス二相ＣＯ２の固体分が昇華し、その昇華熱によって前記冷却負荷からの被冷却流体から奪熱する。これにより、前記冷却負荷に、前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を供給することができる。
【００１２】
従って、かかる発明によれば、ＣＯ２ガスを飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機及びこの高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する凝縮器に、該凝縮器からのＣＯ２凝縮体をＣＯ２の三重点以下の圧力、温度レベルに減圧して固体・ガス二相ＣＯ２となす１つあるいは直列に複数設けられたＣＯ２膨張装置及び前記減圧された固体・ガス二相ＣＯ２と被冷却流体とを熱交換するＣＯ２昇華手段とを組み合わせてなるＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献１、２等の従来技術のような、液体ＣＯ２の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率の２元冷凍サイクル装置が得られる。
また、ＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献１、２等の従来技術のような高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルとの２つの冷凍サイクルを組み合わせたものに比べて、構成機器数が低減されて構造も簡単化されるとともに装置コストが低減される。また、１つの冷凍サイクルであるので、運転操作やメインテナンスも簡単である。
【００１３】
また、かかる発明において好ましくは、前記被冷却流体として前記冷却負荷に冷熱を供給するブラインを用い、前記ＣＯ２昇華手段は、前記ＣＯ２膨張装置から送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２とブラインとを直接接触させて該ブラインに前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を供給するように構成された直接接触ＣＯ２昇華装置からなる。
このように構成すれば、冷却負荷側のブラインと固体・ガス二相ＣＯ２とを直接接触させて、該固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を冷却負荷に供給するので、固体・ガス二相ＣＯ２側から冷却負荷側への冷熱の伝達効率が高くなるのがよい。
【００１４】
また、かかる発明において好ましくは、前記ＣＯ２昇華手段は、前記ＣＯ２膨張装置から送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２と前記冷却負荷からの被冷却流体とを間接接触させて該被冷却流体に前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を供給するように構成された間接接触ＣＯ２昇華熱交換器からなる。
このように構成すれば、被冷却流体を多数の細管内に流し、固体・ガス二相ＣＯ２を該細管の外側に流すことにより、ＣＯ２昇華手段として格別な装置を設置することなく汎用の熱交換器を容易に利用できる。
【００１５】
また、かかる発明において、前記凝縮器において前記高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する冷却流体とアンモニア冷凍サイクル等の高元冷凍サイクルの高元冷媒とを熱交換して該冷却流体を冷却するカスケード熱交換器を設置する。
このように構成すれば、凝縮器での高圧ＣＯ２ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器２の冷却度が大きくなり高圧ＣＯ２ガスを１段冷却で、より低温に冷却できる。
【発明の効果】
【００１６】
以上記載のごとく本発明によれば、ＣＯ２ガスを飽和圧力あるいは超臨界圧力に圧縮する圧縮機及びこの高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する凝縮器に、該凝縮器からのＣＯ２凝縮体をＣＯ２の三重点以下の圧力、温度レベルに減圧して固体・ガス二相ＣＯ２となす１つあるいは直列に複数設けられたＣＯ２膨張装置及び前記減圧された固体・ガス二相ＣＯ２と被冷却流体とを熱交換するＣＯ２昇華手段とを組み合わせてなるＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、従来技術のような、液体ＣＯ２の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率の２元冷凍サイクル装置が得られる。
【００１７】
また、ＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷に冷熱を供給するので、特許文献１、２等の従来技術のような高元側冷凍サイクルと低元側冷凍サイクルとの２つの冷凍サイクルを組み合わせたものに比べて、構成機器数が低減されて構造も簡単化されるとともに装置コストが低減される。また、１つの冷凍サイクルであるので、運転操作やメインテナンスも簡単である。
又凝縮器での高圧ＣＯ２ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器２の冷却度が大きくなり高圧ＣＯ２ガスを１段冷却で、より低温に冷却できる。特に前記凝縮器２とカスケード熱交換器との間を低元冷媒管を通して低元冷媒を循環することにより、該低元冷媒により高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮するようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００１９】
図１（Ａ）は本発明の第１実施例に係る２元冷凍サイクル装置を示し、（Ａ）はその系統図、（Ｂ）は直接接触昇華装置の他の例を示す構成図である。図２は第２実施例に係る２元冷凍サイクル装置を示し、（Ａ）はその系統図、（Ｂ）は間接接触ＣＯ２昇華熱交換器を示す構成図である。図３は第３実施例に係る２元冷凍サイクル装置の要部系統図である。図４は本発明の作用を示すモリエル線図である。図５は炭酸ガスの状態図である。
【００２０】
第１実施例を示す図１（Ａ）において、１はモータにより駆動される圧縮機で、低圧段圧縮機１ｂと高圧段圧縮機１ａとを直列に接続して構成される。３３は前記低圧段圧縮機１ｂのガス出口と高圧段圧縮機１ａのガス入口との間に設置された中間冷却器である。
２は前記高圧段圧縮機１ａから冷媒管９を通して送られる高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する凝縮器である。
【００２１】
３２は高元冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍機、３１はカスケード熱交換器で、該アンモニア冷凍機３２からの高元冷媒を高元冷媒管３４、３５を通してカスケード熱交換器３１に循環し、前記凝縮器２とカスケード熱交換器３１との間を低元冷媒管２０、２１を通して低元冷媒を循環することにより、該低元冷媒により高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮するようになっている。
【００２２】
３は前記凝縮器２出口に冷媒管１３を介して接続されるＣＯ２膨張装置で、この実施例では毛細管状の細管内を前記凝縮器２からのＣＯ２凝縮体を通流させることにより、該ＣＯ２凝縮体を減圧して固体・ガス二相ＣＯ２を形成するようにした、公知のキャピラリチューブを用いている。
また、前記ＣＯ２膨張装置は、本件出願人の出願に係る特開２００２−１６８１８５号公報に記載されたスクリュー式圧縮機の回転方向を逆にするとともに、吸入口と吐出口とを逆にして、対をなす雄、雌両ロータの回転に伴う容積変化によって前記凝縮器２からのＣＯ２凝縮体を膨張、減圧して固体・ガス二相ＣＯ２とするスクリュー式膨張機を用いてもよい。
【００２３】
４は前記ＣＯ２膨張装置に冷媒管１０を介して接続される直接接触ＣＯ２昇華装置である。該直接接触ＣＯ２昇華装置には、冷却負荷６側からブラインが循環されており、貯液槽１１ｂの内部に溜められたブライン１１ａ中に、前記ＣＯ２膨張装置３から前記冷媒管１０を経て送給される前記固体・ガス二相ＣＯ２を該冷媒管１０の端部に連結されたＣＯ２噴出器４ａより噴出して、該固体・ガス二相ＣＯ２とブラインとを直接接触させ、該ブラインの熱によって前記固体・ガス二相ＣＯ２を昇華させ、該昇華によってブラインから奪熱するようになっている。
図１（Ｂ）は前記直接接触ＣＯ２昇華装置４の他の例を示し、この例においては、前記冷媒管１０の端部に連結されたＣＯ２噴出器４ｂを該直接接触ＣＯ２昇華装置４内のガス空間１１ｃ内に設け、前記固体・ガス二相ＣＯ２を該ＣＯ２噴出器４ｂから前記ブライン１１ａの表面に霧状に噴出せしめるようになっている。
【００２４】
５はブライン熱交換器で、該ブライン熱交換器５と前記直接接触ＣＯ２昇華装置４との間をブライン管１１及び１２を介して循環するブラインと、該ブライン熱交換器５と前記冷却負荷６との間を冷却管２２及び２３を介して循環する被冷却流体とを熱交換して、該ブラインの冷熱により前記被冷却流体を冷却するものである。７は前記ブラインを循環させるためのブラインポンプ、６ａは前記被冷却流体を循環させるための冷却流体ポンプである。
前記直接接触ＣＯ２昇華装置４にて昇華したガス空間１１ｃ内のＣＯ２ガスは、冷媒管８を介して前記低圧段圧縮機１ｂの吸入口に吸入されるようになっている。
【００２５】
かかる構成からなる２元冷凍サイクル装置において、冷媒管８を通して低圧段圧縮機１ｂに吸入されたＣＯ２ガスは、該低圧段圧縮機１ｂにおいて、第１段目の圧縮がなされ（図４のＡ→Ｂ）、中間冷却器３３において冷却、降温された（図４のＢ→Ｃ）後、高圧段圧縮機１ａにおいてさらに圧縮されて（図４のＣ→Ｄ）、飽和圧力あるいは超臨界圧力で２５℃程度の温度レベルに圧縮された高圧ＣＯ２ガスとなり、凝縮器２に導入される。
【００２６】
前記凝縮器２においては、該凝縮器２と前記カスケード熱交換器３１との間を低元冷媒管２０、２１を介して循環する低元冷媒と、前記圧縮機１１からの高圧ＣＯ２ガスとを熱交換して、該低元冷媒によって前記飽和圧力あるいは超臨界圧力の高圧状態のＣＯ２ガスを−１０℃程度まで冷却して、ＣＯ２液あるいは超臨界ＣＯ２流体とする（図４のＤ→Ｅ１）。
即ち、前記カスケード熱交換器３１においては、アンモニア冷凍機３２における高元冷凍サイクルのアンモニア冷媒（高元冷媒）の蒸発によってと前記凝縮器２を循環する低元冷媒を冷却する。そして低温に冷却された低元冷媒は、前記凝縮器２に送られて前記高圧ＣＯ２ガスと熱交換することにより、前記低温（−１０℃程度）まで冷却、凝縮される。
【００２７】
このように構成すれば、凝縮器２での高圧ＣＯ２ガス冷却用として、アンモニア冷凍機３２における高元冷凍サイクルの高元冷媒により低温に冷却された低元冷媒を用いることにより、凝縮器２の冷却度が大きくなり、高圧ＣＯ２ガスを１段冷却で所要の低温に冷却できる。
尚、前記凝縮器２の冷却度を大きくとる必要がない場合等においては、高元冷凍サイクルを構成するアンモニア冷凍機３２及びカスケード熱交換器３１を設けずに、他の冷却源からの冷却流体を凝縮器２に通すことにより、前記高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮するように構成してもよい。
【００２８】
前記凝縮器２において、飽和圧力あるいは超臨界圧力で−１０℃程度まで冷却されたＣＯ２液あるいは超臨界ＣＯ２流体は、該ＣＯ２膨張装置３に導入される。
キャピラリチューブからなる前記ＣＯ２膨張装置３においては、前記ＣＯ２液あるいは超臨界ＣＯ２流体を、図５に示されるような、ＣＯ２の三重点（−５６℃）以下となる温度及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体ＣＯ２（ドライアイス）とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となして、直接接触ＣＯ２昇華装置４に送給する。
この場合、かかる固体・ガス二相ＣＯ２は、ガス分の流動性によって微小粒の固体分（ドライアイス）を搬送するので、搬送性を良好に保持できる。
【００２９】
該直接接触ＣＯ２昇華装置４に導入された固体・ガス二相ＣＯ２は、ＣＯ２噴出器４ａもしくは４ｂによって貯液槽１１ｂの内部に溜められたブライン１１ａ中に噴出せしめられ、該ブライン１１ａと直接接触せしめられる。
かかるブライン１１ａとの直接接触により、前記固体・ガス二相ＣＯ２中の固体分（ドライアイス）は該ブラインの熱によって昇華せしめられ、該昇華によってブラインから奪熱する。これにより冷却されたブラインは、前記ブライン熱交換器５を循環して、該ブライン熱交換器５において冷却負荷６からの被冷却流体と熱交換する。
これにより、前記被冷却流体は該ブラインの冷熱により所定温度に冷却される。
【００３０】
一方、前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華によってガス空間１１ｃに貯められたＣＯ２ガスは、前記冷媒管８を介して前記低圧段圧縮機１ｂの吸入口に吸入される。
このように、前記低圧段圧縮機１ｂによって前記ガス空間１１ｃのガスを吸引しているので、該直接接触ＣＯ２昇華装置４内の圧力が上昇することはない。
【００３１】
前記のように、かかる実施例によれば、ＣＯ２を冷媒とする１つの冷凍サイクルによって、固体・ガス二相ＣＯ２の昇華熱を利用して冷却負荷６に冷熱を供給するので、従来技術のような、液体ＣＯ２の蒸発熱を利用するものに比べて冷却負荷への供給冷熱量が多くなり、高効率の２元冷凍サイクル装置が得られる。
また、直接接触ＣＯ２昇華装置４において冷却負荷側のブラインと固体・ガス二相ＣＯ２とを直接に接触させて、該固体・ガス二相ＣＯ２中の固体分の昇華による冷熱を冷却負荷に供給するので、固体・ガス二相ＣＯ２側から冷却負荷側への冷熱の伝達効率が高くなる。
【００３２】
図２（Ａ）、（Ｂ）に示される第２実施例においては、前記直接接触ＣＯ２昇華装置４に代えて、間接接触ＣＯ２昇華熱交換器３０を用いている。
即ち間接接触ＣＯ２昇華熱交換器３０は、図２（Ｂ）に示されるように、通常使用されている多管式熱交換器を用いることができる。
【００３３】
図２（Ｂ）において、３０ｂ及び３０ｃは、冷却液管２３、２４を介して冷却負荷６に接続されるヘッダー、３０ａは該ヘッダー３０ｂ、３０ｃ間に架設された多数の冷却管で、内部を冷却負荷６からの被冷却流体が通流する。該冷却管３０ａの間には前記ＣＯ２膨張装置３から冷媒管１０を通って前記固体・ガス二相ＣＯ２が通流するＣＯ２通路３０ｅが形成されており、前記冷却管３０ａ内の被冷却流体と熱交換するようになっている。
即ち、該間接接触ＣＯ２昇華熱交換器３０においては、前記ＣＯ２膨張装置３から送給される固体・ガス二相ＣＯ２と冷却管３０ａを流れる前記冷却負荷６からの被冷却流体とを間接接触させて、該被冷却流体に前記固体・ガス二相ＣＯ２の昇華による冷熱を供給する。
その他の構成は図１に示される第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
【００３４】
第３実施例を示す図３においては、前記第１、第２実施例におけるＣＯ２膨張装置３に代えて第１段ＣＯ２膨張装置３ａと第２段ＣＯ２膨張装置３ｂとを冷媒管４２及び４３を介して直列に接続して構成するとともに、該第１段ＣＯ２膨張装置３ａと第２段ＣＯ２膨張装置３ｂとの間に気液を分離する気液分離器４１を設置している。
該気液分離器４１でＣＯ２ガスを分離させた後の液体ＣＯ２は、冷媒管４３を介して前記第２段ＣＯ２膨張装置３ｂに送られ、該第２段ＣＯ２膨張装置３ｂにおいて、図５に示されるような、ＣＯ２の三重点（−５６℃）以下となる温度及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体ＣＯ２（ドライアイス）とＣＯ２ガスとの混合体である固体・ガス二相ＣＯ２となして、直接接触ＣＯ２昇華装置４（あるいは間接接触ＣＯ２昇華熱交換器）に送給する。
また、前記気液分離器４１で分離されたＣＯ２ガスは、冷媒管４４を介して前記高圧段圧縮機１ａの吸入口に供給される。
【００３５】
かかる第３実施例のように構成すれば、ＣＯ２膨張装置３ａ、３ｂにおける固体・ガス二相ＣＯ２を生成するための減圧量が大きくても、第１段ＣＯ２膨張装置３ａと第２段ＣＯ２膨張装置３ｂとを直列に接続して２段膨張（図４のＥ→Ｆ及びＧ→Ｈ）させることにより、液体ＣＯ２あるいは超臨界ＣＯ２流体をきわめて容易に三重点以下の温度（−５６℃）及び圧力まで減圧して、−７０℃程度の固体・ガス二相ＣＯ２を生成できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
かかる発明によれば、高元冷媒冷凍機及びカスケード熱交換器間を高元冷媒が循環する高元冷凍サイクルと、ＣＯ２圧縮機により圧縮されたＣＯ２冷媒ガスを凝縮器で冷却、凝縮しながら循環する低元冷凍サイクルとを具えた2元冷凍サイクル装置において、簡単な構造で構成機器数が少なくかつ装置コストが低減され、さらには運転操作やメインテナンスが容易な装置で以って極低温の被冷却流体を得ることができる2元冷凍サイクル装置を提供できるとともに、前記凝縮器において前記高圧ＣＯ２ガスを冷却、凝縮する冷却流体とアンモニア冷凍サイクル等の高元冷凍サイクルの高元冷媒とを熱交換して該冷却流体を冷却するカスケード熱交換器を設置する。
このように構成すれば、凝縮器での高圧ＣＯ２ガス冷却用として、高元冷凍サイクルの高元冷媒を用いることにより、凝縮器２の冷却度が大きくなり高圧ＣＯ２ガスを１段冷却で、より低温に冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１（Ａ）は本発明の第１実施例に係る２元冷凍サイクル装置を示し、（Ａ）はその系統図、（Ｂ）は直接接触昇華装置の他の例を示す構成図である。
【図２】第２実施例に係る２元冷凍サイクル装置を示し、（Ａ）はその系統図、（Ｂ）は間接接触ＣＯ２昇華熱交換器を示す構成図である。
【図３】第３実施例に係る２元冷凍サイクル装置の要部系統図である。
【図４】本発明の作用を示すモリエル線図である。
【図５】炭酸ガスの状態図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    圧縮機
１ａ  高圧段圧縮機
１ｂ  低圧段圧縮機
２    凝縮器
３    ＣＯ２膨張装置
３ａ  第１段ＣＯ２膨張装置
３ｂ  第２段ＣＯ２膨張装置
４    直接接触ＣＯ２昇華装置
４ａ、４ｂ  ＣＯ２噴出器
５  ブライン熱交換器
６  冷却負荷
１１ａ  ブライン
３０  間接接触ＣＯ２昇華熱交換器
３１  カスケード熱交換器
３２  アンモニア冷凍機
４１  気液分離器