低温チラー技術とは？なぜチラーは極低温まで冷やせるのか

低温チラーとは

低温チラーとは、一般的に運転温度が-10℃以下のチラーユニットを指します。通常、製薬、化学、新エネルギー、半導体、航空宇宙などの業界で使用されている。高性能のスリラーのいくつかは-150℃の下で達することができるが、-80℃以下の装置は私達それを超低温スリラーと呼ぶ。

低温冷凍機のキーテクノロジー

冷凍機の出力温度が-150℃のものもあれば、-10℃のものもあることを不思議に思ったことはありませんか？両者の決定的な違いは以下の点にある。

多段圧縮技術

低温冷凍では蒸発圧力が非常に低く、一段圧縮では圧縮比が15:1、あるいはそれ以上になる。高負荷運転時のコンプレッサーの消耗は加速され、システムの冷凍効率は非常に低く、-40℃、-80℃、あるいは-100℃の温度に到達することは困難です。チラーの製造業者は通常多段圧縮技術を使用する。

多段圧縮の冷凍サイクルは基本的に単段圧縮と同じで、サイクル全体を通して同じ冷媒を使用しますが、圧縮プロセスを2段階、3段階、またはそれ以上の段階に分けます。各段階の圧縮の後には、冷媒ガスの温度と体積を下げるための中間冷却が行われる。このプロセスを階段の昇り降りに例えると、1段圧縮は10階を一気に昇るようなもので、多段圧縮は数階昇ったら休憩してさらに数階昇るようなもので、後者の方が明らかに簡単である。

例えば，2段圧縮システムでは、冷媒は2回の圧縮を経る。第1段圧縮機は、蒸発器から戻ってくる低温低圧の冷媒ガスを中間圧まで圧縮する。その後、中圧の冷媒ガスはインタークーラーに入って冷却され、2段目の圧縮効率が向上する。2段目のコンプレッサーは中圧ガスを高圧に圧縮することができ、圧力条件を満たした冷媒ガスがコンデンサーに入ることができる。

多段圧縮は単段圧縮の温度制限を突破できるため、冷凍機の運転温度が低くなる。コンプレッサーに要求される性能が高く、低温始動能力の高いコンプレッサーブランドを使用する必要がある。

複合スタック冷凍技術

複合スタック冷凍は、カスケード冷凍とも呼ばれ、複数の独立した冷凍回路を1つの冷凍システムに統合する。各冷凍回路のコンプレッサー、オイルセパレーター、電子膨張弁、PID制御システムは互いに独立しています。

例として2段階カスケード冷凍システムを取りなさい、それは高温段階システムおよび低温段階システムを含んでいる、2つのシステムは異なった沸点の冷却剤を使用する、高温段階システムは低温段階システムより低い沸点の冷却剤を使用する。高温システムが低温システムの凝縮器に凝縮条件を提供できるように、カスケード式熱交換器が中間にあり、熱の移動に使われる。複合冷凍技術は、多段圧縮技術よりも低い冷却温度を達成できるが、制御が難しく、コストがかかる。

カスケード冷凍システムの一般的な組み合わせを以下に示す：

高温冷媒	低温冷媒	使用可能温度範囲
R404A	R23	-40℃ ~ -70℃
R507	R508B	-60℃ ~ -90℃
R134a	R170/R14	-70℃ ~ -120℃

キャリア冷却液

キャリア冷却液は、冷凍機で生成された冷たさを端末に伝えるために使用される。冷却損失を最小限に抑え、冷却効率を高めるには、冷却システムの運転温度に適合したキャリア冷却剤を使用する必要があります。以下は、温度帯別によく使用されるキャリアの種類である：

温度範囲 (°C)	一般的なクーラント
+5 ~ +30	水
0 ~ -10	10-20% エチレングリコール溶液
-10 ~ -25	25-35% プロピレングリコール-水混合物
-25 ~ -40	40-50% エチレン/プロピレングリコール-水混合物, 塩化カルシウム塩水
-40 ~ -60	アルコール類 , Dynalene HC-20/30
-60 ~ -90	ジメチルシリコーンオイル (-80°C グレード), Dynalene HC-40
< -90	特殊有機冷却剤, 液体窒素 (二次ループ用)

冷媒

冷媒の沸点、臨界温度、蒸発圧力によって、その使用温度範囲が決まります。以下に、さまざまなタイプの冷媒とそれに対応する動作温度範囲、および適した冷凍システムを示します：

温度範囲 (°C)	推奨冷媒	システムタイプ
+30 ~ -10	R134a、R410A、R407C	単段圧縮
-10 ~ -40	R404A、R507、R407F、R448A	単段または強化システム
-40 ~ -60	R23、R508B、R170（エタン）、R1150（エチレン）	二段またはカスケードシステム
-60 ~ -100	R469A/B、エタノール、シリコーンオイル、Dynalene HC-20/40	カスケード + 二次ループ
Below -100	液体窒素（LN₂）、液体ヘリウム（He）、有機ブレンド	超低温 / 間接冷却

結論

冷凍方法、キャリア冷媒、冷媒の選択はすべてチラーの温度範囲に影響します。LNEYAでは、常温からディープフリーズまで幅広い用途に対応する-150℃～350℃の極低温・超低温チラーをカスタマイズして提供しています。安定した信頼性の高い極低温冷凍機が必要ですか？弊社のチラーエキスパートにお客様の冷却ニーズをご相談ください。