JP3208151B2 - 冷凍装置 - Google Patents

冷凍装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は独立した二系統の冷媒回
路を構成し、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する所謂二元冷凍方式の冷
凍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来此種所謂二元冷凍方式の冷凍装置は
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、より近い温度例えば−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】
【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、Ｒ５００，Ｒ５０２，Ｒ１３Ｂ１，Ｒ５０
３といった冷媒はフロン規制の対象冷媒であり、オゾン
層破壊等といった環境保全の見地から早急に規制外冷媒
への代替が検討されている。
【０００７】一方、この種の冷凍装置は主としてバイオ
テクノロジー分野で血液等の生体や検体を長期保存する
ために使われるため、信頼性の見地からより低い温度、
例えば−１５０℃という温度を達成できる装置の開発が
要請されている。
【０００８】本発明は斯る点に鑑みなされたもので、フ
ロン規制の対象冷媒を使用したり液体窒素を使用したり
することなく、−１５０℃という超低温を実現できる冷
凍装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は請求項１に記載
したように、それぞれ圧縮機から吐出された冷媒を凝縮
した後蒸発せしめて冷却作用を発揮する独立した冷媒閉
回路を構成する高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とから
なり、前記高温側冷媒回路の蒸発器と前記低温側冷媒回
路の凝縮器とで熱交換器を構成した冷凍装置において、
前記低温側冷媒回路に、ジクロロフルオロメタン、クロ
ロジフルオロメタン、トリフルオロメタン、四弗化炭
素、メタン、及びアルゴンからなる非共沸混合冷媒を封
入したものである。
【００１０】また、請求項２に記載の如く、請求項１に
おいて、ジクロロフルオロメタンが０〜３２重量％、ク
ロロジフルオロメタンが１３〜５３重量％、トリフルオ
ロメタンが１０〜３６重量％、四弗化炭素が１５〜４５
重量％、メタンが３〜１３重量％、アルゴンが３〜１３
重量％の非共沸混合冷媒としたものである。
【００１１】また、請求項３に記載の如く、請求項１に
おいて、高温側冷媒回路に、クロロジフルオロメタン、
１−クロロ−１，１−ジフルオロエタン、ジクロロフル
オロメタンからなる非共沸混合冷媒を封入したものであ
る。
【００１２】また、請求項４に記載の如く、請求項３に
おいて、高温側冷媒回路に封入した非共沸混合冷媒を、
クロロジフルオロメタンが７０重量％、１−クロロ−
１，１−ジフルオロエタンが２５重量％、ジクロロフル
オロメタンが５重量％の組成としたものである。
【００１３】また、請求項５に記載の如く、請求項１に
おいて、高温側冷媒回路に、クロロジフルオロメタン、
１−クロロ−１，１−ジフルオロエタン、８弗化プロパ
ンからなる非共沸混合冷媒を封入したものである。
【００１４】また、請求項６に記載の如く、請求項５に
おいて、高温側冷媒回路に封入した非共沸混合冷媒を、
クロロジフルオロメタンが７０重量％、１−クロロ−
１，１−ジフルオロエタンが２５重量％、８弗化プロパ
ンが５重量％の組成としたものである。
【００１５】また、請求項７に記載の如く、請求項１に
おいて、低温側冷媒回路に８弗化プロパンを加えたもの
である。
【００１６】また、請求項８に記載の如く、請求項１に
おいて、クロロジフルオロメタンに代えて、ジフルオロ
メタンまたはペンタフルオロエタンを封入したものであ
る。
【００１７】また、請求項９に記載の如く、請求項１に
おいて、低温側冷媒回路にヘキサフルオロエタンを加え
たものである。
【００１８】また、請求項１０に記載の如く、請求項１
において、トリフルオロメタンに代えて、ヘキサフルオ
ロエタンを封入したものである。
【００１９】また、請求項１１に記載の如く、請求項１
において、低温側冷媒回路に窒素を加えたものである。
【００２０】
【作用】本発明は上記の構成によりフロン規制対象冷媒
を使用することなく、各冷媒の蒸発温度の差を利用して
複数の熱交換器でまだ気相状態にある冷媒を次々に凝縮
させ、最終段の蒸発器で−１５０℃という超低温を達成
できる。この結果、オゾン層の破壊という問題に対処し
つつ、生体や検体の長期保存をより安定化させることが
できる。
【００２１】また、沸点が高く（８．９５℃）オイルと
の相溶性の良いジクロロフルオロメタン（Ｒ２１）を封
入することにより、冷媒回路に吐出されたオイルをその
中に溶け込ませた状態で圧縮機に帰還させることがで
き、圧縮機の循環不良を防止できると共に、液状態のま
ま圧縮機へ帰還するＲ２１を圧縮機内で蒸発させること
ができ、圧縮機の温度を低減できる。
【００２２】また、沸点が低く（−３６．７℃）、比熱
比の小さい（１．０６）８弗化プロパン（Ｒ２１８）を
封入することにより、圧縮機の吐出温度の上昇を抑制す
ることができ、冷凍能力を向上できると共に、オイルス
ラッジの発生やオイルの劣化を抑制できる。
【００２３】
【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。
【００２４】（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。
【００２５】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。
【００２６】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。
【００２７】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。
【００２８】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−２５℃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。
【００２９】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。
【００３０】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。
【００３１】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。
【００３２】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。
【００３３】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。
【００３４】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。
【００３５】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。
【００３６】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。
【００３７】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。
【００３８】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。
【００３９】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。
【００４０】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。
【００４１】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。
【００４２】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。
【００４３】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。
【００４４】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。
【００４５】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１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。
【００４６】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。
【００４７】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）で減圧された後、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１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。
【００４８】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。
【００４９】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。
【００５０】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。
【００５１】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。
【００５２】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１部が
凝縮し、これら液化したＲ１４，Ｒ５０、及びＲ７４０
の１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。
【００５３】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。
【００５４】斯る蒸発パイプ（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。
【００５５】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配管（１０Ｓ）から電
動圧縮機（１０）に帰還する。
【００５６】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。
【００５７】これにより、圧縮機（１０）の潤滑不良や
ロックは防止できる。
【００５８】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。
【００５９】これらの各冷媒の組成は上記した実施例に
限定されるものではなく、実験結果によれば、請求項２
に記載の如く、ジクロロフルオロメタンが０〜３２重量
％、クロロジフルオロメタンが１３〜５３重量％、トリ
フルオロメタンが１０〜３６重量％、四弗化炭素が１５
〜４５重量％、メタンが３〜１３重量％、アルゴンが３
〜１３重量％の範囲で非共沸混合冷媒を組成すれば、蒸
発パイプ（４７）において−１５０℃前後の超低温が得
られることが確認できた。
【００６０】また、高温側冷媒回路に封入する非共沸混
合冷媒に、クロロジフルオロメタンが７０重量％、１−
クロロ−１，１−ジフルオロエタンが２５重量％、８弗
化プロパンが５重量％の組成のものを封入しても同様な
効果が得られる。
【００６１】更に、低温側や高温側の冷媒回路に、沸点
が−３６．７℃と低く、比熱比が１．０６と小さいＲ２
１８を混入することによって、圧縮機（４），（１０）
の吐出温度上昇を抑制でき、冷凍能力をより向上できる
と共に、オイルスラッジの発生やオイルの劣化を抑制で
きる。
【００６２】また、請求項１記載の低温側冷媒回路
（３）に封入される冷媒において、Ｒ１１６（ヘキサフ
ルオロエタン）を追加したり、Ｒ２２に代えてＲ３２
（ジフルオロメタン）またはＲ１２５（ペンタフルオロ
エタン）を封入したり、Ｒ２３に代えてＲ１１６を封入
しても同様の効果が得られる。
【００６３】また、低温側冷媒回路（３）の冷媒に窒素
ガスを封入することにより、更に低い−１６０℃以下の
温度を実現することも可能である。（この場合には、中
間熱交換器や気液分離器や減圧装置を１段づつ追加する
必要はある。）
【００６４】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、フロン規
制対象冷媒を使用することなく、各冷媒の蒸発温度の差
を利用して複数の熱交換器でまだ気相状態にある冷媒を
次々に凝縮させ、最終段の蒸発器で−１５０℃という超
低温を達成できる。この結果、オゾン層の破壊という問
題に対処しつつ、生体や検体の長期保存をより安定化さ
せることができる。
【００６５】また、沸点が高く（８．９５℃）オイルと
の相溶性の良いジクロロフルオロメタン（Ｒ２１）を封
入することにより、冷媒回路に吐出されたオイルをその
中に溶け込ませた状態で圧縮機に帰還させることがで
き、圧縮機の循環不良を防止できると共に、液状態のま
ま圧縮機へ帰還するＲ２１を圧縮機内で蒸発させること
ができ、圧縮機の温度を低減できる。
【００６６】また、沸点が低く（−３６．７℃）、比熱
比の小さい（１．０６）８弗化プロパン（Ｒ２１８）を
封入することにより、圧縮機の吐出温度の上昇を抑制す
ることができ、冷凍能力を向上できると共に、オイルス
ラッジの発生やオイルの劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す冷凍装置の冷媒回路図で
ある。
【符号の説明】
２ 高温側冷媒回路 ３ 低温側冷媒回路 ４，１０ 電動圧縮機 ２５ カスケードコンデンサ ３２ 第１の中間熱交換器 ４２ 第２の中間熱交換器 ４４ 第３の中間熱交換器 ４７ 蒸発パイプ
フロントページの続き (72)発明者 吉田 福治 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (72)発明者 大森 豊 守口市京阪本通２丁目18番地 三洋電機 株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−96989（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−260557（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−158659（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F25B 1/00 - 7/00 C09K 5/04

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧縮機から吐出された冷媒を凝縮した後
    蒸発せしめて冷却作用を発揮する独立した冷媒閉回路を
    構成する高温側冷媒回路と低温側冷媒回路とからなり、
    前記高温側冷媒回路の蒸発器と前記低温側冷媒回路の凝
    縮器とで熱交換器を構成した冷凍装置において、前記低
    温側冷媒回路に、ジクロロフルオロメタン、クロロジフ
    ルオロメタン、トリフルオロメタン、四弗化炭素、メタ
    ン、及びアルゴンからなる非共沸混合冷媒を封入したこ
    とを特徴とする冷凍装置。
  2. 【請求項２】 ジクロロフルオロメタンが０〜３２重量
    ％、クロロジフルオロメタンが１３〜５３重量％、トリ
    フルオロメタンが１０〜３６重量％、四弗化炭素が１５
    〜４５重量％、メタンが３〜１３重量％、アルゴンが３
    〜１３重量％の非共沸混合冷媒であることを特徴とする
    請求項１記載の冷凍装置。
  3. 【請求項３】 高温側冷媒回路に、クロロジフルオロメ
    タン、１−クロロ−１，１−ジフルオロエタン、ジクロ
    ロフルオロメタンからなる非共沸混合冷媒を封入したこ
    とを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
  4. 【請求項４】 高温側冷媒回路に封入した非共沸混合冷
    媒は、クロロジフルオロメタンが７０重量％、１−クロ
    ロ−１，１−ジフルオロエタンが２５重量％、ジクロロ
    フルオロメタンが５重量％の組成であることを特徴とす
    る請求項３記載の冷凍装置。
  5. 【請求項５】 高温側冷媒回路に、クロロジフルオロメ
    タン、１−クロロ−１，１−ジフルオロエタン、８弗化
    プロパンからなる非共沸混合冷媒を封入したことを特徴
    とする請求項１記載の冷凍装置。
  6. 【請求項６】 高温側冷媒回路に封入した非共沸混合冷
    媒は、クロロジフルオロメタンが７０重量％、１−クロ
    ロ−１，１−ジフルオロエタンが２５重量％、８弗化プ
    ロパンが５重量％の組成であることを特徴とする請求項
    ５記載の冷凍装置。
  7. 【請求項７】 低温側冷媒回路に８弗化プロパンを加え
    たことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
  8. 【請求項８】 クロロジフルオロメタンに代えて、ジフ
    ルオロメタンまたはペンタフルオロエタンを封入したこ
    とを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
  9. 【請求項９】 低温側冷媒回路にヘキサフルオロエタン
    を加えたことを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
  10. 【請求項１０】 トリフルオロメタンに代えて、ヘキサ
    フルオロエタンを封入したことを特徴とする請求項１記
    載の冷凍装置。
  11. 【請求項１１】 低温側冷媒回路に窒素を加えたことを
    特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
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