(57)【要約】【課題】電力消費量と騒音の削減を図るためにトルクの小さい小型のモータを備えた圧縮機でも始動可能にする。【解決手段】高温側冷媒回路Ｈの蒸発器４と低温側冷媒回路Ｌの凝縮器１２とを併設し、蒸発器４で蒸発する高温側冷媒回路Ｈの冷媒の気化熱により、低温側冷媒回路Ｌの冷媒を凝縮器１２において冷却して凝縮させ、その凝縮した低温側冷媒回路Ｌの冷媒を蒸発器１４において蒸発させ、蒸発器４で得られる低温より一段と低い低温を蒸発器１４で得るようにした二元冷凍装置において、高温側冷媒回路Ｈの圧縮機１の吸込側である低圧側に、キャピラリーチューブ５が介在する接続管６を介して冷媒タンク７を接続すると共に、電磁開閉弁８が介在するバイパス管９を介して高温側冷媒回路Ｈの高圧側と冷媒タンク７とを接続するようにした。そして、制御器１０により、圧縮機１の始動時に電磁開閉弁１０を開弁し、その後閉弁するようにした。【選択図】    図１
2004177046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温側冷媒回路の冷媒凝縮部に高温側冷媒回路の冷媒蒸発部が併設され、前記低温側冷媒回路の前記冷媒凝縮部が前記高温側冷媒回路の前記冷媒蒸発部で発生する冷熱により冷却されて前記低温側冷媒回路の冷媒が前記冷媒凝縮部において凝縮する二元冷凍装置において、前記高温側冷媒回路の低圧側に冷媒タンクが減圧手段を備えた接続管を介して接続され、前記高温側冷媒回路の高圧側と前記冷媒タンクとが開閉手段を備えたバイパス管を介して接続されたことを特徴とする二元冷凍装置。
【請求項２】
前記高温側冷媒回路に設けられた圧縮機の始動時に前記バイパス管の前記開閉手段を開操作し、所定時間の経過若しくは予め設定した物理量の設定値検出を待って前記開閉手段を閉操作する制御手段が設けられたことを特徴とする請求項１記載の二元冷凍装置。
【請求項３】
前記高温側冷媒回路に設けられた前記圧縮機の停止時に前記バイパス管の前記開閉手段を開操作すると共に、前記圧縮機の始動後所定時間の経過若しくは予め設定した物理量の設定値検出を待って前記開閉手段を閉操作する制御手段が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の二元冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とを備えて構成される二元冷凍装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の冷凍装置としては、例えば図２に示したように圧縮機１、凝縮器２、減圧弁３、蒸発器４を直列に連結して構成される高温側冷媒回路Ｈの蒸発器４と、圧縮機１１、凝縮器１２、減圧弁１３、蒸発器１４を直列に連結して構成される低温側冷媒回路Ｌの凝縮器１２とを併設し、蒸発器４で蒸発する高温側冷媒回路Ｈの冷媒の気化熱により、低温側冷媒回路Ｌの冷媒を凝縮器１２において冷却して凝縮させ、その凝縮した低温側冷媒回路Ｌの冷媒を蒸発器１４において蒸発させ、高温側冷媒回路Ｈの蒸発器４で得られる低温より一段と低い低温を低温側冷媒回路Ｌの蒸発器１４で得るようにした二元冷凍装置１００Ｘが公知である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、低温側冷媒回路Ｌにおいては、破線で示したようにその低圧側、すなわち圧縮機１１の冷媒吸込側に、減圧手段であるキャピラリーチューブ１５が介在する接続管１６を介して冷媒タンク１７を接続する構成も公知である（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
なお、図２に示したように冷媒同士が熱交換可能に高温側冷媒回路Ｈの蒸発器４と低温側冷媒回路Ｌの凝縮器１２とが併設されて一体化された熱交換機器は、カスケードコンデンサと称されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−９１０７４（図１）
【特許文献２】
特開２００１−４０３４０（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の二元冷凍装置においては、高温側冷媒回路の蒸発器で−４０℃程度の低温を得ようとして、高温側冷媒回路に１気圧における沸点が例えば−４０℃程度の非フロン系冷媒、例えばＲ４０７Ｄ（Ｒ３２（ジフルオロメタン：ＣＨ２Ｆ２、）１５質量％、Ｒ１２５（ペンタフルオロエタン：ＣＨＦ２ＣＦ３）１５質量％、Ｒ１３４ａ（テトラフルオロエタン：ＣＨ２ＦＣＦ３）７０質量％）とペンタンとの混合冷媒（質量比で９４：６）を所定量封入すると、圧縮機がシリンダ内でピストンを往復動作させて冷媒を圧縮するレシプロ型のときには停止平衡圧（冷媒吸込側圧力と冷媒吐出側圧力とが同圧となったときの圧力）は外気が３５℃のときで７３４ｋＰａにも達し、それを圧縮機で圧縮すると冷媒吐出側のピーク圧力は２．７ＭＰａにも達するので、圧縮機はモータのトルクが十分大きくないと始動することができない（蒸発器の温度が十分に低下した状態、すなわち冷媒が膨張弁を順調に通過するようになると、冷媒の搬送抵抗は大きく低下するので、圧縮機は小さいトルクでも回転する）。
【０００７】
したがって、従来の二元冷凍装置においては大型モータを備えた圧縮機を使用しており、▲１▼電力消費量が多い、▲２▼騒音も大きい、と云った不都合があったため、トルクの小さい小型のモータを備えた圧縮機でも始動ができるようにする必要があり、それが解決すべき課題となっていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記従来技術の課題を解決するため、低温側冷媒回路の冷媒凝縮部に高温側冷媒回路の冷媒蒸発部が併設され、前記低温側冷媒回路の前記冷媒凝縮部が前記高温側冷媒回路の前記冷媒蒸発部で発生する冷熱により冷却されて前記低温側冷媒回路の冷媒が前記冷媒凝縮部において凝縮する二元冷凍装置において、前記高温側冷媒回路の低圧側に減圧手段を備えた接続管を介して冷媒タンクを接続し、開閉手段を備えたバイパス管を介して前記高温側冷媒回路の高圧側と前記冷媒タンクとを接続するようにした第１の構成の二元冷凍装置と、
【０００９】
前記第１の構成の二元冷凍装置において、前記高温側冷媒回路に設けた圧縮機の始動時に前記バイパス管の前記開閉手段を開操作し、所定時間の経過若しくは予め設定した物理量の設定値検出を待って前記開閉手段を閉操作する制御手段を設けるようにした第２の構成の二元冷凍装置と、
【００１０】
前記第１または第２の構成の二元冷凍装置において、前記高温側冷媒回路に設けた前記圧縮機の停止時に前記バイパス管の前記開閉手段を開操作すると共に、前記圧縮機の始動後所定時間の経過若しくは予め設定した物理量の設定値検出を待って前記開閉手段を閉操作する制御手段を設けるようにした第３の構成の二元冷凍装置と、
を提供するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図１に基づいて本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、理解を容易にするため、この図１においても前記図２において説明した部分と同様の機能を有する部分には、同一の符号を付した。
【００１２】
図１に例示した本発明の二元冷凍装置１００の高温側冷媒回路Ｈにおいても、圧縮機１、凝縮器２、減圧弁３、蒸発器（冷媒蒸発部）４は直列に接続されて冷媒の循環路が形成されている。そして、その回路の低圧側、すなわち圧縮機１の吸込側に、減圧手段であるキャピラリーチューブ５が介在する接続管６を介して冷媒タンク７が接続され、キャピラリーチューブ５と冷媒タンク７との間の接続管６と、回路の高圧側、すなわち圧縮機１の吐出側とが、電磁開閉弁８が介在するバイパス管９を介して接続されている。
【００１３】
なお、冷媒タンク７の内容積と、キャピラリーチューブ５から冷媒タンク７に至る間の接続管６の内容積と、電磁開閉弁８から接続管６に至る間のバイパス管９の内容積との和は、高温側冷媒回路Ｈの全内容積の４５％である。
【００１４】
そして、その高温側冷媒回路Ｈには、１気圧における沸点が大凡−４５℃となるように、Ｒ４０７Ｄとペンタンとが９４：６の質量比で混合された混合冷媒が所定量充填され、外気が３５℃のときの運転停止時の平衡圧は６５８ｋＰａに調整されている。
【００１５】
一方、圧縮機１１、凝縮器（冷媒凝縮部）１２、減圧弁１３、蒸発器１４が直列に接続されると共に、キャピラリーチューブ１５が介在する接続管１６を介して冷媒タンク１７が圧縮機１１の冷媒吸込側に接続された低温側冷媒回路Ｌには、１気圧における沸点が大凡−８６℃のＲ５０８Ａ（Ｒ２３と、フッ素と炭素のみからなるＦＣであるＲ１１６（ヘキサフルオロエタン）とが３９：６１の質量比で混合された混合冷媒が封入されている。
【００１６】
また、高温側冷媒回路Ｈの圧縮機１と低温側冷媒回路Ｌの圧縮機１１それぞれには、ハード・アルキル・ベンゼン油（ＨＡＢ油）が冷凍機油として注入され、圧縮機の摺動部分における潤滑性、気密性などの改善が図られている。
【００１７】
また、この二元冷凍装置１００においても、高温側冷媒回路Ｈの蒸発器４と低温側冷媒回路Ｌの凝縮器１２とは併設され、蒸発器４で蒸発する高温側冷媒回路Ｈの冷媒の気化熱により、低温側冷媒回路Ｌの冷媒を凝縮器１２において冷却して凝縮させることができるように構成されている。
【００１８】
そして、この本発明になる二元冷凍装置１００には、圧縮機１の始動と同時に電磁開閉弁８を開弁し、圧縮機１の始動から所定時間（例えば１〜３分、可変）後に電磁開閉弁８を閉弁するための制御器１０が備えられている。
【００１９】
したがって、高温側冷媒回路Ｈに停止平衡圧が６５８ｋＰａとなるようにＲ４０７Ｄとペンタンとの混合冷媒が封入されていても、圧縮機１の始動と同時に電磁開閉弁８が制御器１０により開弁され、圧縮機１が圧縮して高圧側に吐出した冷媒の一部はバイパス管９を介して冷媒タンク７に流入するので、高圧側の冷媒圧力の急激な上昇は回避される。
【００２０】
すなわち、この二元冷凍装置１００においては、圧縮機１の始動時に高圧側の著しい圧力上昇を抑えることが可能であるので、ピストンが往復して冷媒を圧縮するレシプロ型の圧縮機が高温側冷媒回路Ｈの圧縮機１に使用されても、圧縮機１を始動する際に大きな負荷が掛かることがない。
【００２１】
そのため、従来の二元冷凍装置１００Ｘにおいては例えば定格電圧２２０Ｖ、定格消費電力７５０Ｗのモータを備えた圧縮機１を用いる必要があったが、本発明の二元冷凍装置１００においては例えば定格電圧１１５Ｖ、定格消費電力６００Ｗの小型モータを備えた圧縮機１としても始動することが可能であり、電力消費量と騒音の両方を減らすことが可能になった。
【００２２】
また、圧縮機１が始動され、所定時間（例えば、１〜３分、可変）が経過した後は、電磁開閉弁８が閉弁され、圧縮機１から冷媒タンク７への高圧冷媒の供給が停止されるので、冷媒タンク７に貯留されていた冷媒はキャピラリーチューブ５を通って圧縮機１の吸込側に徐々に移動し、冷凍作用に供される。すなわち、圧縮機１の起動から所定時間が経過すると、冷媒タンク７に貯留されていた冷媒の殆どは接続管６を介して圧縮機１に吸い込まれる。
【００２３】
そのため、圧縮機１により圧縮されて吐出し、凝縮器２において凝縮し、蒸発器４において蒸発する冷媒の量は、従来の二元冷凍装置１００Ｘのように高温側冷媒回路Ｈに停止平衡圧が７００ｋＰａ超となるように冷媒が封入され、圧縮機１の始動に高トルクを要していたときと同程度まで増加するので、蒸発器４においては従来と同様に、大凡−４５℃と云う十分に低い冷熱が確実に得られる。
【００２４】
そして、低温側冷媒回路Ｌの蒸発器１４においては大凡−８６℃までの低温度が確実に得られるので、本発明の二元冷凍装置１００は、バクテリア、血液成分、骨髄、臨床試薬、菌糸類、各種細胞、精子、受精卵、核酸などを冷却保存する装置として使用することができる。
【００２５】
なお、電磁開閉弁８は、圧縮機１の始動と同時に開弁するのではなく、圧縮機１の始動に先だって、換言すると電磁開閉弁８の開弁後に圧縮機１が始動するように制御器１０を構成することも可能である。
【００２６】
また、圧縮機１を始動した後、速やかに電磁開閉弁８を開弁しても高圧側圧力のピーク値を抑えることは可能であるので、圧縮機１の始動後３０秒以内（好ましくは１５秒以内）に電磁開閉弁８を開弁するように制御器１０を構成することも可能である。
【００２７】
また、電磁開閉弁８を閉弁するタイミングは、圧縮機１始動後の経過時間に基づくのではなく、蒸発器４で蒸発する冷媒の温度などに基づいて制御器１０により決定し、電磁開閉弁８を閉弁するように構成することも可能である。
【００２８】
例えば、蒸発器４に設置した温度検出手段が、圧縮機１を始動した時の温度より所定温度、例えば５℃低下するのを待って、制御器１０により電磁開閉弁８を閉弁するように構成することも可能である。
【００２９】
また、高温側冷媒回路Ｈ内を循環する冷媒の圧力に基づいて、電磁開閉弁８を閉弁するタイミングを決定することも可能である。例えば、高圧側に設置した圧力検出手段が所定圧力、例えば２ＭＰａ以下を検出するのを待って、制御器１０により電磁開閉弁８を閉弁するように構成することも可能である。
【００３０】
また、制御器１０は圧縮機１の運転を停止したときに電磁開閉弁８を開弁し、圧縮機１を始動して所定時間が経過したときなどに電磁開閉弁８を閉弁するように構成することも可能である。
【００３１】
制御器１０をこのように構成しても、圧縮機１始動時の高圧側冷媒の圧力ピークを抑えることは可能であるので、制御器１０をこのように構成したときにも、圧縮機１には小型のモータを備えた圧縮機を使用することができる。
【００３２】
なお、電磁開閉弁８は、開度調節が可能な電動弁であっても良い。また、キャピラリーチューブ５、１５は電子膨張弁、手動膨張弁などの減圧弁で代替されても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によりトルクの小さい小型のモータを備えた圧縮機でも始動可能となったので、消費電力と騒音の削減が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す説明図である。
【図２】従来技術を示す説明図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  凝縮器
３  減圧弁
４  蒸発器
５  キャピラリーチューブ
６  接続管
７  冷媒タンク
８  電磁開閉弁
９  バイパス管
１０  制御器
１１  圧縮機
１２  凝縮器
１３  減圧弁
１４  蒸発器
１５  キャピラリーチューブ
１６  接続管
１７  冷媒タンク
Ｈ  高温側冷媒回路
Ｌ  低温側冷媒回路
１００、１００Ｘ  二元冷凍装置
【図１】
2004177046.tif 000003
【図２】
2004177046.tif 000004